Эдс катушки: Методы защиты устройств (датчиков, приборов, контроллеров) с транзисторными выходами от токов самоиндукции

Методы защиты устройств (датчиков, приборов, контроллеров) с транзисторными выходами от токов самоиндукции

Введение

В данной статье будет рассмотрено явление самоиндукции, проявляющееся зачастую при коммутации индуктивных нагрузок. Также будут рассмотрены способы защиты и используемое для этого оборудование.

Техника безопасности

ВНИМАНИЕ! К работам по монтажу, наладке, ремонту и обслуживанию технологического оборудования допускаются лица, имеющие техническое образование и специальную подготовку (обучение и проверку знаний) по безопасному производству работ в электроустановках с группой не ниже 2 для ремонтного персонала, а также имеющие опыт работ по обслуживанию оборудования, в конструкцию которого вносятся изменения и дополнения, либо производится модернизация. За неисправность оборудования и безопасность работников при неквалифицированном монтаже и обслуживании ООО «КИП‑Сервис» ответственности не несет.

1. Электромагнитная индукция.

Определение. Физический смысл

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока, при изменении во времени магнитного поля. Изменение магнитного поля, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в контуре индуктивной электродвижущей силы (ЭДС). Процесс возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию, а при убывании тока — препятствует убыванию. Величина ЭДС самоиндукции определяется уравнением:

E=−L×dI/dtE= -L times dI / dt

где:
E — ЭДС самоиндукции
L — индуктивность катушки
dI/dt — изменение тока во времени.

Знак «минус» означает, что ЭДС самоиндукции действует так, что индукционный ток препятствует изменению магнитного потока. Этот факт отражён в правиле Ленца:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Явление самоиндукции можно наблюдать при включении и последующем выключении катушек соленоидов, промежуточных реле, электромагнитных пускателей. При подаче напряжения на катушку создается электромагнитное поле, в следствии чего образуется электродвижущая сила, которая препятствует мгновенному росту тока в катушке. Согласно принципу суперпозиции, основной ток в катушке можно представить в виде суммы токов, один из которых вызван внешним напряжением и сонаправлен с основным током, а второй вызван ЭДС самоиндукции и имеет противоположное направление основному току. Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки. При протекании тока катушка «запасает» энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдает запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. Это, в свою очередь, вызывает всплеск напряжения обратной полярности на катушке. Данный всплеск может достигать значений во много раз превышающих номинальное напряжение источника питания, что может помешать нормальной работе электронных устройств, вплоть до их разрушения.

Разберем более подробно, почему скачок ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность. На рисунке 1 изображены две схемы, на которых стрелками обозначено направление движения тока, а так же потенциалы на всех элементах схемы при закрытом и открытом ключе.

а – закрытый ключб – открытый ключ

Рисунок 1 — Направление тока при закрытом и открытом ключе

При закрытом ключе потенциалы на всех элементах совпадают с потенциалом источника питания (рисунок 1, а). Во время размыкания ключа, из схемы исключается источник питания, и ЭДС самоиндукции стремится поддержать ток в катушке. Для того, что бы сохранить направление тока в катушке, ЭДС меняет свой потенциал на противоположный по знаку источнику питания (рисунок 1, б). Именно поэтому всплеск ЭДС самоиндукции будет иметь обратную полярность.

Более наглядно этот всплеск показан на рисунке 2. На графике изображено напряжение источника питания Uпит, ток возникающий в катушке I, ЭДС самоиндукции.

Рисунок 2 — График изменения тока и напряжения при коммутации

2.

Теоретический расчет ЭДС самоиндукции

Рассмотрим явление самоиндукции на примере работы электромагнитной катушки при пропускании через нее постоянного тока. Включение катушки происходит при помощи бесконтактного датчика. Катушку можно заменить на последовательно соединенные активное Rk и индуктивное Lk сопротивления (рисунок 3).

Рисунок 3 — Эквивалентная схема электромагнитной катушки

Тогда электрическая схема будет иметь вид, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 — Схема включения электромагнитной катушки

При сработавшем датчики падение напряжения U на катушке составляет 24 В. При коммутации индуктивной нагрузки в первый момент времени ток остается равным току до коммутации, а после изменяется по экспоненциальному закону. Таким образом, при переходе управляющего транзистора в закрытое состояние катушка начинает генерировать ЭДС самоиндукции, предотвращающую падение тока. Попробуем рассчитать величину генерируемого катушкой напряжения.

На рисунке 5 показано направление тока при открытом транзисторе. Переход транзистора в закрытое состояние фактически означает что цепь катушки с генерируемым ЭДС самоиндукции замыкается через подтягивающий резистор. Обозначим его Ro. По документации датчика это сопротивление составляет 5,1 кОм.

Рисунок 5 — Направление тока при открытом транзистореРисунок 6 — Направление тока после перехода транзистора в закрытое состояние

На рисунке 6 видно что ток на резисторе Ro поменял направление – это обусловлено возникновением ЭДС самоиндукции в катушке. Для полученного замкнутого контура выполняется следующее уравнение:

UR0+URk+ULk=0U_R0+U_Rk+U_Lk=0

Выражая напряжение через ток и сопротивление, получим:

I×R0+I×Rk+ULk=0I times R_0 + I times R_k +U_Lk=0 ULk=−I×(Rk+R0)U_Lk= -I times ( R_k + R_0 )

При этом ток в цепи стремится к значению тока при открытом транзисторе:

Подставим данное выражение в предыдущую формулу, получим величину генерируемого напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(Rk+R0)/Rk=−U×(1+R0/Rk)U_Lk= -U times ( R_k + R_0 ) / R_k = -U times ( 1 + R_0 / R_k )

Все переменные из этой формулы известны:
U = 24В — напряжение питания
R_o = 5,1кОм — сопротивление подтягивающего резистора датчика
R_k = 900 Ом — активное сопротивление катушки (данные из документации).

Подставив значения в формулу, рассчитаем примерное значение напряжения самоиндукции:

ULk=−U×(1+R0/Rk)=−24×(1+5100/900)=−160ВU_Lk= -U times ( 1 + R_0/R_k ) = -24 times ( 1 + 5100 / 900 )=-160 В

Данный расчет упрощен и не учитывает индуктивность катушки, от которой так же зависит ЭДС самоиндукции. Но даже из упрощенного расчета видно, что величина генерируемого напряжения оказывается во много раз больше номинального напряжения 24В.

Воздействие ЭДС самоиндукции может повредить устройства, имеющие общие с индуктивной нагрузкой цепи питания. На рисунке 7 приведена некорректная схема, на которой от одного источника питания подключен бесконтактный датчик и катушка соленоидного клапана.

Рисунок 7 — Некорректная схема подключения

На первый взгляд, данная схема может работать без каких-либо сбоев. Однако, при выключении катушки клапана возникает всплеск напряжения в результате самоиндукции. Всплеск распространяется по цепи питания на клемму «минус» датчика.

В результате, разница потенциалов между коллектором и эмиттером закрытого транзистора превышает максимальное значение, что приводит к его пробою.

3. Практическое измерение ЭДС самоиндукции

Чтобы проверить правдивость приведенных выше теоретических расчетов, проведем измерение ЭДС самоиндукции. Для проведения измерений необходимо собрать схему, для которой мы проводили расчеты. При помощи осциллографа на клеммах катушки произведем измерение напряжения (рисунок 8).

Рисунок 8 — Измерение ЭДС самоиндукции

На рисунке 9 изображена осциллограмма значений напряжения самоиндукции катушки с питанием 24 В. На графике видно, что реальный всплеск напряжения при отключении катушки в несколько раз больше напряжения питания и составляет 128 В. Как следствие, транзисторный ключ выйдет из строя. Возникающий скачок ЭДС приводит к пробою транзисторных ключей, бесконтактных датчиков, слаботочных коммутирующих элементов и другим нежелательным эффектам в схемах управления.

Рисунок 9 — ЭДС самоиндукции при выключении катушки с питанием 24 В

4.

Методы и средства защиты от ЭДС самоиндукции

Для подавления ЭДС самоиндукции и предотвращения выхода из строя оборудования необходимо принимать специальные меры. Для подавления пиков напряжения на катушке во время выключения, необходимо параллельно катушке включить в схему диод (для постоянного напряжения) или варистор (для переменного напряжения). ЭДС самоиндукции будет ограничиваться этими элементами, тем самым они будут обеспечивать защиту схемы.

Диод включается параллельно катушке против напряжения питания (рисунок 10). Таким образом, в установившемся режиме он не оказывает никакого воздействия на работу схемы. Однако при отключении питания на катушке возникает ЭДС самоиндукции, имеющая полярность, противоположную рабочему напряжению. Диод открывается и шунтирует катушку индуктивности.

а – включение диода в схему PNPб – включение диода в схему NPN

Рисунок 10 — Схема включения диода для защиты от самоиндукции

Варистор также включается параллельно катушке (рисунок 11).

Рисунок 11 — Схема включения варистора для защиты от самоиндукции

При увеличении напряжения выше пороговой величины, сопротивление варистора резко уменьшается, шунтируя индуктивную нагрузку. Соответственно, при броске тока варистор быстро срабатывает и обеспечивает надежную защиту схемы.

На рисунке 12 изображен график напряжения во время включения и выключения индуктивной катушки с использованием защитного диода для напряжения 24 В.

Рисунок 12 — ЭДС самоиндукции с использованием диода

На графике видно, что использование защитных диодов сглаживает переходную характеристику напряжения.

Для защиты от ЭДС самоиндукции существует целый ряд готовых устройств. Их выбор зависит от применяемой катушки и типа напряжения питания. Для гашения ЭДС самоиндукции на катушках промежуточных реле используют модули FINDER серии 99 (рисунок 13):

Рисунок 13 — Защитный модуль Finder/99.02.9.024.99

99.02.0.230.98 Finder/ Модуль защитный(светодиод+варистор)~/=110…240

99. 02.9.024.99 Finder/ Модуль защитный(светодиод+диод), =6…24В

Модули устанавливаются непосредственно на колодку реле, не требуют дополнительного изменения схемы управления.

В случае подключения катушек пускателей, либо катушек соленоидных клапанов, необходимо использовать защитные клеммники Klemsan серии WG-EKI (рисунок 14):

Рисунок 14 – Защитный клеммник WG-EKI

110 220 Клеммник WG-EKI с варистором (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 30В, рабочий ток до 10А)

110 040 Клеммник WG-EKI с защитным диодом (0,5…2,5 мм2, рабочее напряжение до 1000В, рабочий ток до 10А, ток диода 1А)

Клеммники позволяют осуществить подключение индуктивной катушки без дополнительного изменения схемы. Клеммник имеет два яруса, соединенных между собой защитным диодом либо варистором. Для осуществления защиты необходимо провести провода питания катушки через этот клеммник. При использовании клеммника с защитным диодом необходимо соблюдать полярность при подключении (рисунок 15).

Рисунок 15 — Схема подключения клеммника WG-EKI с защитным диодом

Заключение

В рамках данной статьи было рассмотрено явление самоиндукции, приведен теоретический расчет ЭДС и практическое подтверждение этого расчета. Применяя модули Finder серии 99 и клеммники Klemsan серии WG-EKI, можно избавиться от пагубного воздействия самоиндукции и сохранить целостность коммутирующих элементов цепей управления.

Инженер ООО «КИП-Сервис»
Хоровец Г.Н.

Список использованной литературы:

1. Сивухин, Д.В. Общий курс физики. Электричество. Том III / Сивухин Д.В – М.: Наука, 1977. – 724.с.
2. Калашников, С.Г. Электричество / Калашников С.Г. – 6-е изд., стереот. – М.: Физматлит, 2003.-624.с.
3. Алексеев Н.И., Кравцов А.В. Лабораторный практикум по общей физике (электричество и магнетизм). Самоиндукция / Лицей No1580 при МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. – 16 с.

Читайте также:

“Катушка, вращающаяся в магнитном поле ”

    На юбилейной 20 научно-практической конференции “Шаг в будущее” учащийся 9 класса ГАООРТ ГЛРТ Менги Сан-оол с работой “Катушка, вращающаяся в магнитном поле ” занял первое место в секции “Физика” под руководством учителя физики лицея Сергеевой Натальи Александровны.

 

    В наше время быт человека невозможно представить без применения электроэнергии. Получение, передача и использование переменного тока основано на взаимосвязи электрического и магнитного полей и, в частности, на явлении электромагнитной индукции. Открыл явление электромагнитной индукции Майкл Фарадей в 1831 году. Благодаря открытиям Майкла Фарадея в домах есть свет и тепло, функционируют индукционные и микроволновые печи, возможна сотовая связь. Закон электромагнитной индукции является одним из фундаментальных законов электромагнетизма.

 

 

 

 

Цель работы: Изготовить прибор для экспериментальной проверки закона электромагнитной индукции Фарадея.

Для достижения цели были решены задачи:

изучена информация по данной теме.
изготовлен прибор для демонстрации явления электромагнитной индукции.
экспериментально проверен закон электромагнитной индукции.
Своими опытами, М. Фарадей доказал, что при всяком изменении магнитного потока, в проводнике возникает индукционный ток.

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Чтобы экспериментально это подтвердить, нужно уметь измерять ЭДС индукции и скорость изменения магнитного потока. Последнее кажется наиболее трудным, так как нет приборов для измерения величины магнитного потока. Если виток вращать в однородном постоянном магнитном поле тогда магнитный поток через него будет периодически изменяться, и скорость этого изменения можно определить по угловой скорости вращения витка. Чтобы экспериментально подтвердить теорию, необходимо работать не с отдельным витком, а с катушкой, состоящей из множества витков, так как это увеличит ЭДС индукции. Возникающая в катушке из N витков ЭДС индукции в N раз больше, чем для одного витка. В качестве измерительного прибора применен светодиод. Светодиод — это малоинерционный полупроводниковый источник света, который зажигается при определенном пороговом напряжении. Светодиод начинает светиться, когда ЭДС индукции превышает напряжение зажигания.

Так как светодиоды пропускают ток только в одном направлении, катушка со светодиодами при вращении в магнитном поле обозначит две симметричные дуги разного цвета. Длина отрезка, соединяющего ближайшие концы светящихся дуг, обратно пропорциональна индукции магнитного поля и угловой скорости вращения в нем катушки. Если эксперимент подтвердит справедливость этого вывода, то тем самым будет обоснована справедливость закона электромагнитной индукции.

 

 

 

 

Экспериментальное оборудование.

Ход эксперимента

Опыт 1. К неподвижной катушке быстро подносили магнит. При этом один из светодиодов загорался. Если резко удаляли магнит от сердечника – загорался другой светодиод. Отсюда следует, что при изменении магнитного потока в катушке возникает ЭДС индукции, в зависимости от направления которой загорается синий или зеленый светодиод.

20Опыт 2. Катушка приводилась во вращение и к ней медленно приближался магнит. При этом возникали светящиеся дуги, разделенные промежутками. Отрезок, соединяющий эти промежутки, параллелен направлению магнитного поля. Светящиеся дуги становились ярче и увеличивались в размерах по мере роста скорости вращения катушки и приближения к ней магнита. При изменении направления вращения катушки или направления магнитного поля на противоположное разноцветные дуги меняются местами.

Заключение

Был собран прибор для демонстрации зависимости ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока. Прибор позволяет наглядно убедиться в зависимости ЭДС индукции от угла поворота витка в постоянном магнитном поле. Таким образом, поставленная цель была достигнута. Исследование по данной тематике, в перспективе, можно углубить и расширить. Например, исследовать вращение катушки в переменном магнитном поле, а также разработать компьютерную программу для исследования зависимости ЭДС индукции от угла поворота витка в постоянном магнитном поле при различных значениях скорости вращения витка и индукции магнитного поля.

 

 

 

Источники:

В. Майер, Р. Майер. Лаборатория на коленке. – М.: Бюро Квантум, 2009. – 160 с (Библиотечка «Квант». Вып. 112. Приложение к журналу «Квант» № 4/2009)

Индуктивности катушка – это… Что такое Индуктивности катушка?

Катушка индуктивности на материнской плате компьютера.

Обозначение на электрических принципиальных схемах.

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винтоспиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Такая система способна запасать магнитную энергию при протекании электрического тока.

Устройство

Устройство обычно представляет собой винтовую, спиральную или винтоспиральную катушку из одножильного или многожильного изолированного провода, намотанного на цилиндрический, тороидальный или прямоугольный каркас из диэлектрика или плоскую спираль, волну или полоску печатного или другого проводника. Также бывают и бескаркасные катушки. Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойная (рядовая, внавал, “универсал”). Намотка “универсал” имеет меньшую паразитную ёмкость.

Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Также сердечники используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах..

Свойства катушки индуктивности

Катушка индуктивности в электрической цепи хорошо проводит постоянный ток и в то же время оказывает сопротивление переменному току, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением величина которого равна: , где — индуктивность катушки, — угловая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

При протекании тока катушка запасает энергию, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока . Величина этой энергии равна

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой

Характеристики катушки индуктивности

Индуктивность

Основным параметром катушки индуктивности является её индуктивность, которая определяет, какой поток магнитного поля создаст катушка при протекании через неё тока силой 1 ампер. Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Индуктивность катушки пропорциональна линейным размерам катушки, квадрату числа витков намотки и магнитной проницаемости сердечника.

При последовательном соединении катушек общая индуктивность равна сумме индуктивностей всех соединённых катушек.

При параллельном соединении катушек общая индуктивность равна

Сопротивление потерь

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых сопротивление катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь . Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране.

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

• Во-первых, провода обмотки обладают омическим сопротивлением.
• Во-вторых, сопротивление провода обмотки переменному току возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом, суть которого состоит в том, что ток протекает не по всему сечению проводника, а по кольцевой части поперечного сечения.
• В третьих, в проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии провода, прилегающей к каркасу, в результате чего сечение, по которому протекает ток, принимает серповидный характер, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике

Потери в диэлектрике обусловлены тем, что между соседними витками катушки существует паразитная ёмкость, что приводит к утечкам переменного тока между витками.

Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на гистерезис и начальных потерь.

Потери в экране

Потери в экране обусловлены тем, что ток, протекающий по катушке, индуцирует ток в экране.

Добротность

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

Практически величина добротности лежит в пределах от 30 до 200. Повышение добротности достигается оптимальным выбором диаметра провода, увеличением размеров катушки индуктивности и применением сердечников с высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями, намоткой вида “универсаль”, применением посеребрёного провода, применением многожильного провода вида “литцендрат”.

Температурный коэффициент индуктивности (ТКИ)

ТКИ — это параметр, характеризующий зависимость индуктивности катушки от температуры.

Температурная нестабильность индуктивности обусловлена целым рядом факторов: при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков; кроме того при изменении температуры изменяются диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведёт к изменению собственной ёмкости катушки.

Разновидности катушек индуктивности

Контурные катушки индуктивности 

Эти катушки используются совместно с конденсаторами для получения резонансных контуров. Они должны иметь высокую стабильность, точность и добротность.

Катушки связи 

Такие катушки применяются для обеспечения индуктивной связи между отдельными цепями и каскадами. Такая связь позволяет разделить по постоянному току цепи базы и коллектора и т. д. К таким катушкам не предъявляются жёсткие требования на добротность и точность, поэтому они выполняются из тонкого провода в виде двух обмоток небольших габаритов. Основными параметрами этих катушек являются индуктивность и коэффициент связи.

Вариометры 

Это катушки, индуктивность которых можно изменять в процессе эксплуатации для перестройки колебательных контуров. Они состоят из двух катушек, соединённых последовательно. Одна из катушек неподвижная (статор), другая располагается внутри первой и вращается (ротор). При изменении положения ротора относительно статора изменяется величина взаимоиндукции, а следовательно, индуктивность вариометра. Такая система позволяет изменять индуктивность в 4 − 5 раз. В ферровариометрах индуктивность изменяется перемещением ферромагнитного сердечника.

Дроссели 

Это катушки индуктивности, обладающие высоким сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному. Обычно включаются в цепях питания усилительных устройств. Предназначены для защиты источников питания от попадания в них высокочастотных сигналов. На низких частотах они используются в фильтрах цепей питания и обычно имеют металлические или ферритовые сердечники.

Сдвоенные дроссели 

две намотанных встречно катушки индуктивности, используются в фильтрах питания. За счёт встречной намотки и взаимной индукции более эффективны при тех же габаритных размерах.

Применение катушек индуктивности

Применявшаяся в качестве реактивного сопротивления для люминесцентных ламп катушка индуктивности

• Катушки индуктивности (совместно с конденсаторами и/или резисторами) используются для построения различных цепей с частотно-зависимыми свойствами, в частности, фильтров, цепей обратной связи, колебательных контуров и т. п..
• Катушки индуктивности используются в импульсных стабилизаторах как элемент, накапливающий энергию и преобразующий уровни напряжения.
• Две и более индуктивно связанные катушки образуют трансформатор.
• Катушка индуктивности, питаемая импульсным током от транзисторного ключа, иногда применяется в качестве источника высокого напряжения небольшой мощности в слаботочных схемах, когда создание отдельного высокого питающего напряжения в блоке питания невозможно или экономически нецелесообразно. В этом случае на катушке из-за самоиндукции возникают выбросы высокого напряжения, которые можно использовать в схеме, например, выпрямив и сгладив.
• Катушки используются также в качестве электромагнитов.
• Катушки применяются в качестве источника энергии для возбуждения индуктивно-связанной плазмы.
• Для радиосвязи – излучение и приём электромагнитных волн (магнитная антенна, кольцевая антенна).
• Для разогрева электропроводящих материалов в индукционных печах.
• Как датчик перемещения: изменение индуктивности катушки может изменяться в широких пределах перемещением (вытаскиванием) сердечника.

Смотри также

Wikimedia Foundation. 2010.

Катушка индуктивности. Устройство и принцип работы.

Приветствую всех на нашем сайте!

Мы продолжаем изучать электронику с самых основ, и темой сегодняшней статьи будет катушка индуктивности. Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса — резисторы и конденсаторы.

Устройство и принцип работы катушки индуктивности.

Как уже понятно из названия элемента — катушка индуктивности, в первую очередь, представляет из себя именно катушку 🙂 То есть большое количество витков изолированного проводника. Причем наличие изоляции является важнейшим условием — витки катушки не должны замыкаться друг с другом. Чаще всего витки наматываются на цилиндрический или тороидальный каркас:

Важнейшей характеристикой катушки индуктивности является, естественно, индуктивность, иначе зачем бы ей дали такое название 🙂 Индуктивность — это способность преобразовывать энергию электрического поля в энергию магнитного поля. Это свойство катушки связано с тем, что при протекании по проводнику тока вокруг него возникает магнитное поле:

А вот как выглядит магнитное поле, возникающее при прохождении тока через катушку:

В общем то, строго говоря, любой элемент в электрической цепи имеет индуктивность, даже обычный кусок провода.{-7}\medspace\frac{Гн}{м}

\mu — магнитная проницаемость магнитного материала сердечника. А что это за сердечник и для чего он нужен? Сейчас выясним. Дело все в том, что если катушку намотать не просто на каркас (внутри которого воздух), а на магнитный сердечник, то индуктивность возрастет многократно. Посудите сами — магнитная проницаемость воздуха равна 1, а для никеля она может достигать величины 1100. Вот мы и получаем увеличение индуктивности более чем в 1000 раз

S — площадь поперечного сечения катушки

N — количество витков

l — длина катушки

Из формулы следует, что при увеличении числа витков или, к примеру, диаметра (а соответственно и площади поперечного сечения) катушки, индуктивность будет увеличиваться. А при увеличении длины — уменьшаться. Таким образом, витки на катушке стоит располагать как можно ближе друг к другу, поскольку это приведет к уменьшению длины катушки.

С устройством катушки индуктивности мы разобрались, пришло время рассмотреть физические процессы, которые протекают в этом элементе при прохождении электрического тока. Для этого мы рассмотрим две схемы — в одной будем пропускать через катушку постоянный ток, а в другой -переменный!

Катушка индуктивности в цепи постоянного тока.

Итак, в первую очередь, давайте разберемся, что же происходит в самой катушке при протекании тока. Если ток не изменяет своей величины, то катушка не оказывает на него никакого влияния. Значит ли это, что в случае постоянного тока использование катушек индуктивности и рассматривать не стоит? А вот и нет 🙂 Ведь постоянный ток можно включать/выключать, и как раз в моменты переключения и происходит все самое интересное. Давайте рассмотрим цепь:

Резистор выполняет в данном случае роль нагрузки, на его месте могла бы быть, к примеру, лампа. Помимо резистора и индуктивности в цепь включены источник постоянного тока и переключатель, с помощью которого мы будем замыкать и размыкать цепь. Что же произойдет в тот момент когда мы замкнем выключатель?

Ток через катушку начнет изменяться, поскольку в предыдущий момент времени он был равен 0. Изменение тока приведет к изменению магнитного потока внутри катушки, что, в свою очередь, вызовет возникновение ЭДС (электродвижущей силы) самоиндукции, которую можно выразить следующим образом:

\varepsilon_s = -\frac{d\Phi}{dt}

Возникновение ЭДС приведет к появлению индукционного тока в катушке, который будет протекать в направлении, противоположном направлению тока источника питания. Таким образом, ЭДС самоиндукции будет препятствовать протеканию тока через катушку (индукционный ток будет компенсировать ток цепи из-за того, что их направления противоположны). А это значит, что в начальный момент времени (непосредственно после замыкания выключателя) ток через катушку I_L будет равен 0. В этот момент времени ЭДС самоиндукции максимальна. А что же произойдет дальше? Поскольку величина ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения тока, то она будет постепенно ослабевать, а ток, соответственно, наоборот  будет возрастать. Давайте посмотрим на графики, иллюстрирующие то, что мы обсудили:

На первом графике мы видим входное напряжение цепи — изначально цепь разомкнута, а при замыкании переключателя появляется постоянное значение. На втором графике мы видим изменение величины тока через катушку индуктивности. Непосредственно после замыкания ключа ток отсутствует из-за возникновения ЭДС самоиндукции, а затем начинает плавно возрастать.

Напряжение на катушке наоборот в начальный момент времени максимально, а затем уменьшается. График напряжения на нагрузке будет по форме (но не по величине) совпадать с графиком тока через катушку (поскольку при последовательном соединении ток, протекающий через разные элементы цепи одинаковый). Таким образом, если в качестве нагрузки мы будем использовать лампу, то они загорится не сразу после замыкания переключателя, а с небольшой задержкой (в соответствии с графиком тока).

Аналогичный переходный процесс в цепи будет наблюдаться и при размыкании ключа. В катушке индуктивности возникнет ЭДС самоиндукции, но индукционный ток в случае размыкания будет направлен в том же самом направлении, что и ток в цепи, а не в противоположном, поэтому запасенная энергия катушки индуктивности пойдет на поддержание тока в цепи:

После размыкания ключа возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует уменьшению тока через катушку, поэтому ток достигает нулевого значения не сразу, а по истечении некоторого времени. Напряжение же в катушке по форме идентично случаю замыкания переключателя, но противоположно по знаку. Это связано с тем, что изменение тока, а соответственно и ЭДС самоиндукции в первом и втором случаях противоположны по знаку (в первом случае ток возрастает, а во втором убывает).

Кстати, я упомянул, что величина ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, так вот, коэффициентом пропорциональности является ни что иное как индуктивность катушки:

\varepsilon_s = -L\medspace\frac{dI}{dt}

На этом мы заканчиваем с катушками индуктивности в цепях постоянного тока и переходим к цепям переменного тока.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

\varepsilon_L = -L\medspace\frac{dI}{dt}

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость! Смотрите сами — между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции. Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 — ток уменьшается — скорость изменения тока отрицательная и увеличивается — ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика — там все процессы протекают по такому же принципу 🙂

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент — при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: \varepsilon < 0, i > 0, участок 3-4: \varepsilon > 0, i < 0). Таким образом, ЭДС самоиндукции препятствует возрастанию тока (индукционные токи направлены «навстречу» току источника).

А на участках 2-3 и 4-5 все наоборот — ток убывает, а ЭДС препятствует убыванию тока (поскольку индукционные токи будут направлены в ту же сторону, что и ток источника и будут частично компенсировать уменьшение тока).

И в итоге мы приходим к очень интересному факту — катушка индуктивности оказывает сопротивление переменному току, протекающему по цепи. А значит она имеет сопротивление, которое называется индуктивным или реактивным и вычисляется следующим образом:

X_L = w\medspace L

Где w — круговая частота: w = 2 \pi f. [/latex]f[/latex] — это частота переменного тока. Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный (f = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение u? Здесь все на самом деле просто! По 2-му закону Кирхгофа:

u + \varepsilon_L = 0

А следовательно:

u = — \varepsilon_L

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе (ссылка) друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между напряжением и током, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода.

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались!

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому разговор о катушках индуктивности мы продолжим в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

Электричество и магнетизм

Рассмотрим снова контур с током, но не станем его помещать на этот раз во внешнее магнитное поле. Ток сам создает свое собственное поле В, которое пронизывает контур. Это поле, как следует из закона Био — Савара — Лапласа, пропорционально силе тока

Собственное магнитное поле контура с током обуславливает наличие магнитного потока Y через поверхность, опирающуюся на этот контур, который также будет пропорционален силе тока в контуре

Введем коэффициент пропорциональности L

(8.16)

Коэффициент пропорциональности L называется индуктивностью контура. 

Индуктивность контурачисленно равна магнитному потоку, собственного магнитного поля через поверхность, опирающуюся на контур, при условии протекания в контуре единичного тока.

 

Индуктивность контура определяется формой и размерами контура, а также свойствами окружающей среды.  

В системе СИ единицей измерения индуктивности является генри (Гн)

Если в проводящем контуре протекает переменный электрический ток, то магнитное поле этого тока также меняется с течением времени. Собственный магнитный поток, создаваемый этим полем, также является переменным. Изменение магнитного потока влечет за собой возникновение ЭДС электромагнитной индукции. 

Явление возникновения ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре вследствие изменения тока, текущего в этом контуре, называется явлением самоиндукции.

 

Видео 8.13.  Закон Фарадея. Явление самоиндукции.

Возникающая при этом ЭДС называется ЭДС самоиндукции. Явление самоиндукции является частным случаем электромагнитной индукции.

Явление самоиндукции является, в частности, причиной явления, которое называют «экстра токи замыкания и размыкания». Оно состоит в следующем. Собственное магнитное поле в цепи постоянного тока изменяется в моменты замыкания или размыкания цепи. Это означает, что в такие моменты в цепи должна возникать ЭДС самоиндукции. Направление токов самоиндукции следует из правила Ленца. При замыкании цепи ЭДС самоиндукции вызывает ток, препятствующий увеличению основного тока в цепи, что делает конечной скорость роста силы тока, а при размыкании ток самоиндукции, препятствуя его уменьшению, делает конечной скорость убывания тока. Если бы не ЭДС самоиндукции, то при замыкании цепи ток мгновенно нарастал бы до своего стационарного значения, а при размыкании цепи, мгновенно убывал бы до нуля.  

Выведем формулу для ЭДС самоиндукции . Для этого надо продифференцировать полный магнитный поток, охватываемый проводящим контуром, по времени

(8.17)

Если контур не меняет свою форму, и рядом с контуром нет ферромагнетиков, то его индуктивность от времени не зависит. Однако, даже при неизменной форме контура, при наличии ферромагнетиков, например, ферромагнитного сердечника, индуктивность контура зависит от силы тока в нём и, тем самым, от времени, если ток переменный. Таким образом, в присутствии ферромагнетиков

,

что необходимо учитывать при дифференцировании

Подставляя это выражение в (8.17), получаем для неподвижного контура всреде

(8.18)

 

Если же индуктивность контура не зависит от силы тока в нём, то имеем

(8.19)

Мы приходим к закону самоиндукции. В этом простейшем случае: 

В отсутствие ферромагнетиков ЭДС самоиндукции в цепи прямопропорциональна скорости изменения силы тока в этой цепи.

Будем считать катушку длинной, а магнитное поле внутри нее — однородным. Пропустим через соленоид ток I. Тогда магнитная индукциявнутри соленоида равна, как мы знаем (см. (6.20)), равна

где — магнитная проницаемость сердечника, a n — число витков на единицу длины. Полное число витков в катушке равно , где l — ее длина. Пусть S — площадь поперечного сечения соленоида. Полный магнитный поток (потокосцепление) определяется как

(8.20)

где V — объем соленоида: V = Sl. Согласно определению индуктивности как коэффициента пропорциональности между  и I, получаем величину индуктивности длинного соленоида (рис. 8.31)

(8.21)

 

Рис. 8.31. Индуктивность соленоида 

При замыкании или размыкании цепи (то есть в случаях, когда ток в цепи меняется по величине) в ней вследствие явления самоиндукции возникают дополнительные токи, которые по правилу Ленца всегда направлены так, чтобы воспрепятствовать причине их вызывающей, то есть чтобы воспрепятствовать нарастанию или убыванию тока в цепи. Следовательно, как уже было сказано,при замыкании цепи ЭДС самоиндукции будет замедлять скорость нарастания тока, а при размыкании, напротив, замедлять скорость уменьшения тока в ней.

Индуктивность / Хабр

Выше мы рассматривали два основных понятия в электротехнике — идеальный генератор напряжения и идеальный генератор тока.

Идеальный генератор напряжения выдает заданное напряжения U (давление в водопроводной аналогии) на любой нагрузке (сопротивлении внешней цепи).

При этом в соответствии с законом Ома I=U/R, даже если R стремится к нулю, а ток возрастает до бесконечности.

Внутренне сопротивление идеального генератора напряжения равно 0.

Идеальный генератор тока выдает заданный ток I (поток в водопроводной аналогии), даже если сопротивление внешней цепи стремится к бесконечности. Напряжение на нагрузке при этом также стремится к бесконечности U=I*R.

Внутреннее сопротивление идеального генератора тока равно ∞.

Тут можно увидеть определенную симметрию, дуализм.

Мы рассматривали конденсатор С который может накапливать заряд (потому и называется — емкость) С=Q/U. Чем больше емкость, тем медленнее растет напряжение (давление) при закачке в конденсатор заряда U=Q/C.

Если емкость заряда очень большая (стремится к бесконечности), то такой конденсатор бесконечной емкости будет являться идеальным генератором напряжения. Он никогда не разрядится и при этом может выдать ток любой величины, и напряжение на нем будет оставаться постоянным.

Симметричным (дуальным) к конденсатору элементом будет являться индуктивность. Индуктивность обозначается буквой L (см схему ниже).

Обычно сам электронный компонент называется катушка индуктивности, а его параметр — индуктивность L.

рис 13. Подключение катушки индуктивности к генератору напряжения.

Если конденсатор является генератором напряжения, то индуктивность является генератором тока. Индуктивность стремиться поддерживать ток в цепи постоянным, то есть препятствует изменению тока в цепи.

Индуктивность бесконечной величины является идеальным генератором тока, то есть будет бесконечно гнать заданный ток I независимо от сопротивления нагрузки.

Как хорошо сказано в wiki – “При сопоставлении силы электрического тока со скоростью в механике и электрической индуктивности с массой в механике ЭДС самоиндукции сходна с силой инерции.”

Это похоже как если вы подойдете к стоящей на рельсах вагонетке и станете ее толкать (приложите к ней силу). Вагонетка начнет медленно разгоняться и «ток все быстрее и быстрее побежит по проводам». А потом попробуйте вагонетку тормозить и она будет медленно останавливаться.

Так и в индуктивности, после подачи напряжения ток будет постепенно расти (вагонетка разгоняется), а при подаче напряжения другой полярности — постепенно уменьшаться (вагонетка тормозится).

Отсюда следует вывод «Поезд мгновенно остановить нельзя!»

«Ток в индуктивности мгновенно остановить нельзя!»

То есть даже если щелкнуть выключателем S4 на схеме и разомкнуть цепь, ток в первый момент после этого будет продолжать идти! На практике это приводит к тому, что в момент размыкания контактов в выключателе между ними будет проскакивать искра.

Сопротивление при размыкании контактов увеличивается до бесконечности (в реальности до очень больших величин) и протекающий ток создаст на этом сопротивлении напряжение очень большой величины, так что воздушный промежуток между контактами будет пробит.

В водопроводной аналогии этому явлению можно сопоставить гидравлический удар, когда масса воды в водопроводе набирает скорость, и при резком закрытии крана вода, продолжая двигаться по инерции, создает высокое давление, что может привести к разрыву трубы.

Причины по которой индуктивность имеет такие свойства (поддержание тока в цепи) хорошо описаны в wiki – https://ru.wikipedia.org/wiki/Самоиндукция

“При изменении тока в контуре пропорционально меняется и магнитный поток через поверхность, ограниченную этим контуром. Изменение этого магнитного потока, в силу закона электромагнитной индукции, приводит к возбуждению в этом контуре индуктивной ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Направление ЭДС самоиндукции всегда оказывается таким, что при возрастании тока в цепи ЭДС самоиндукции препятствует этому возрастанию (направлена против тока), а при убывании тока — убыванию (сонаправлена с током). Явление самоиндукции проявляется в замедлении процессов исчезновения и установления тока.”

По отношению к конденсатору , основным отличием индуктивности, если говорить простыми словами, является то, что конденсатор пропускает переменный ток и не пропускает постоянный, а индуктивность наоборот — пропускает постоянный ток и не пропускает переменный.

Тут есть некий момент — постоянный ток это ток, который не меняется со временем, то, что называется «постоянная составляющая» частотой равной 0 Гц. Ее конденсатор не пропускает. Совсем.

А вот индуктивность совсем не пропускает переменный ток бесконечной частоты. А просто переменный ток любой конечной частоты немножко пропускает.

Но к понятию напряжения переменного тока мы вернемся позже.

Рассмотрим цепь на рис. 13 – подключение катушки индуктивности к генератору напряжения.
Ниже представлен график тока в индуктивности при подаче на нее постоянного напряжения от генератора напряжения.

рис. 14 График тока в индуктивности при подаче на нее постоянного напряжения.

При подаче на индуктивность постоянного напряжения ток в ней линейно возрастает со временем.

Мы помним аналогичную картину для конденсатора.

Напряжение на конденсаторе линейно возрастает при его заряде постоянным током.

А что будет, если запитать индуктивность от генератора тока?

рис 15. Подключение индуктивности к генератору тока.

Ну тут из серии «кто кого заборет — слон или кит».

Попробуйте проанализировать работу схемы (hint – вообще схема изображена с ошибкой. В чем она заключается? Как нарисовать схему правильно?)

Цепи, содержащие конденсатор и индуктивность

Как было отмечено выше, индуктивность в электротехнике играет ту же роль, что масса в механике. А что является аналогом конденсатора в механике? Конденсатор является генератором напряжения, то есть создает силу, которая двигает поток заряда по проводам. Выше мы приводили аналог конденсатора в виде водонапорной башни, которая заполняется водой (зарядом) и давление (напряжение) в ней увеличивается.

Но можно также представить конденсатор в виде пружины — при заряде пружина сжимается и сила сжатия (напряжение) увеличивается. Емкость в этом случае величина обратная жесткости пружины. Чем пружина жестче, тем быстрее возрастает сила при сжатии. То есть соединение конденсатора и индуктивности эквивалентно вагонетке закрепленной на пружине. )

Что же будет происходить, если конденсатор соединить с индуктивностью, например как в схеме на рис. 16

рис 16. Параллельное включение конденсатора и катушки индуктивности.

Пусть конденсатор С заряжен до напряжения U. Ключ S2 замыкается и в цепи начинает течь ток. Это эквивалентно тому, как если бы мы сжали пружину и затем в какой-то момент отпустили (замкнули ключ S2).

В первый момент после замыкания ключа ток в цепи будет равен 0, так как индуктивность препятствует изменению тока. К вагонетке приложили силу, но в первый момент времени ее скорость равна 0. Затем ток начинает возрастать (вагонетка разгоняется). Пружина разжимается все больше и больше, скорость вагонетки (ток) растет и в какой-то момент времени пружина оказывается не сжата. Конденсатор разрядился до 0. Но. Мы помним что «ток в индуктивности мгновенно остановить нельзя!» Вагонетка разогналась и даже если мы не будем ее толкать, она будет двигаться по инерции. То есть индуктивность будет поддерживать ток и при этом заряжать конденсатор, но уже в другой полярности – заряды теперь будут скапливаться на другой обкладке конденсатора. Растущее напряжение противоположного знака на конденсаторе будет препятствовать движению зарядов, и в конце концов ток в цепи станет равным нулю. Но при этом конденсатор уже зарядился напряжением U другой полярности!

То есть цепь пришла в состояние когда конденсатор заряжен, ток в ней равен нулю.
Хм.. но это то же состояние, с которого мы начали, только полярность напряжения противоположная. Следовательно процесс повторится, только ток потечет уже в другую сторону и система вернется в исходное состояние. Вагонетка поедет обратно, проедет положение равновесия и по инерции снова сожмет пружину.

Возникнет колебательный процесс. То есть вагонетка на пружине так и будет кататься туда-сюда и в отсутствие потерь энергии (трения) этот процесс будет длиться бесконечно.

Таким образом соединение конденсатора с индуктивностью образует колебательное звено. Такие звенья широко используются в электротехнике для создания генераторов и фильтров напряжения переменного тока.

Понятие переменного тока рассмотрим в следующей статье.

UPD.
Поскольку возник диспут экспоненциально ли растет ток при подключении катушки индуктивности к генератору напряжения или линейно, скажу еще пару слов по этому вопросу.

Откуда же берется экспонента роста тока в схеме на рис.13?
Ответ- ниоткуда. Ее там нет. Ток растет линейно и зависимость тока от напряжения описывается формулой

ЭДС самоиндукции в цепи прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в этой цепи.
Чтобы обеспечить U=const (а U – это производная от тока в катушке), ток должен линейно расти.

А откуда тогда вообще зашел разговор об экспоненте? А зашел он потому, что ток линейно растет только в идеальном случае — в схеме с идеальным генератором напряжения (бесконечной мощности и с нулевым внутренним сопротивлением) и идеальной индуктивностью (с нулевым внутренним сопротивлением).
В реальном случае с учетом внутреннего сопротивления схема будет выглядеть так.

рис 17. Подключение катушки индуктивности к генератору напряжения с учетом внутреннего сопротивления.

На схеме рис.17 R символизирует собой внутреннее сопротивление генератора и катушки индуктивности. (они все равно включены последовательно, поэтому можно обойтись одним R, как суммой этих сопротивлений)

В этом случае процесс разворачивается следующим образом. При замыкании ключа S4 цепь замкнется и должен был бы пойти ток. Однако, катушка индуктивности препятствует изменению тока, и в первый момент времени после замыкания ключа ток останется равным 0! По сути дела катушка в этот момент представляет собой разрыв цепи с бесконечным сопротивлением. Поэтому напряжение U будет приложено к катушке целиком. Можно и по другому подойти – Ur=I*R. Падение напряжения на резисторе равно I*R, I у нас равен 0, поэтому напряжение на резисторе тоже равно 0, и к катушке будет приложено полное напряжение U. Дальше ток в катушке будет расти. В области 0 линейно кстати (см рис 19 «Переход Суворова через Альпы» «Экспонента проходит через 0 под углом 45 градусов»). Ток будет расти и падение напряжения на резисторе тоже будет расти. А на катушке соответственно падать, потому что часть напряжения будет забирать на себя резистор. Поэтому со временем линейность роста тока в цепи будет нарушаться. Когда падение напряжения на резисторе I*R сравняется с напряжением генератора U рост тока прекратится совсем, потому что напряжение на катушке будет равно 0 (все напряжение будет падать на резисторе).

Вот в этом случае и получится такой экспоненциальный график роста тока в индуктивности.

Рис. 18 Экспоненциальный график роста тока в индуктивности.ис 19 «Экспонента проходит через 0 под углом 45 градусов»

зы. В интернете столько разнообразной ереси на тему катушек индуктивности. Просто диву даешься.
«Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение. Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения.»
Ну.. поскольку про резистор в цепи ничего не сказано, то не на короткий промежуток, а пока входное напряжение не будет снято. Вторая часть звучит бредово, но направление верное — ток с цепи растет от нуля до.. без резистора до бесконечности, с резистором до I=Uвх/R.

Предположим, что обычная катушка индуктивности подключена к источнику напряжения через ключ. При замыкании ключа на индуктивность подается напряжение, вызывающее быстрое изменение протекающего через нее тока. Когда приложенное напряжение увеличивается от нуля до пикового значения (за короткое время), индуктивность противодействует изменяющемуся через нее току, индуцируя напряжение, противоположное по полярности приложенному напряжению. Индуцированное напряжение при подаче питания на катушку индуктивности называется обратной ЭДС и определяется по формуле 1:

VL = – L*(di/dt), (1)
где:
VL – напряжение (обратная ЭДС), индуцированная на катушке;
L – индуктивность катушки;
di/dt – скорость изменения тока во времени.

Видимо здесь попытались описать начальный момент возникновения ЭДС самоиндукции, но получилась ерунда. Говорить, что «индуцированное напряжение противоположно по полярности приложенному напряжению» это то же самое, что “падение напряжения на резисторе противоположно по полярности приложенному напряжению.” Ага, точно, приложенное напряжение сложили с падением напряжения и после резистора получили 0. Так и есть, лол.
«ЭДС самоиндукции» в катушке это аналог «падения напряжения» на резисторе. Только в резисторе электрическая энергия рассеивается, переходит в тепло, а в индуктивности — накапливается, переходит в энергию магнитного поля. В водопроводной аналогии индуктивность это такая турбинка, вставленная в водопроводную трубу, и которая имеет момент инерции. Турбинка пропускает воду только когда вращается. И вот крантель открыли, давление к турбинке приложили, она начала вращаться и пошел ток дальше по трубе. И чем быстрее турбинка вращается, тем больше ее пропускная способность. Турбинка раскручивается, ток возрастает и так до бесконечности. Это если нет потерь энергии — резистора. А если есть резистор (трение), то часть давления расходуется на преодоление трения. И когда вся входная энергия будет расходоваться на трение, турбинка перестанет ускоряться и ток достигнет максимальной величины.

Рис.20 Переходной процесс в цепи с индуктивностью

Картинка неправильная. В правильном варианте при отключении источника, подключался резистор и цепь оставалась замкнутой.

Рассмотрим следующую цепь

Рис.21 Цепь с индуктивностью и переключателем

Вопрос на засыпку: Чему будет равно напряжение на индуктивности в первый момент после переключения ключа S из верхнего положения в нижнее?

Hint: Не надо выносить себе мозг, пытаясь сообразить с каким там знаком возникнет ЭДС самоиндукции и что с ней будет дальше. Надо применять простое правило:
Ток в индуктивности в первый момент времени после переключения сохраняется неизменным.
Дальше применять закон Ома.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока

Принцип работы

Чтобы понять принцип действия катушки индукции, следует знать:

• вокруг движущихся электрически заряженных частиц (электрический ток) возникает электромагнитное поле. Если проводник с протекающим током смотан в катушку, поле многократно усиливается. Еще большим оно становится при использовании металлического сердечника, что объясняется высокой магнитопроницаемостью металлов по сравнению с воздухом;
• переменное магнитное поле наводит в проводнике ЭДС (закон электромагнитной индукции, открытый М. Фарадеем).

Способность катушки превращать электрическую энергию в магнитное поле, называется индуктивностью. Она измеряется в генри (Гн), в формулах обозначается литерой L. Катушка индуктивностью в 1 Гн при изменении силы тока со скоростью dI = 1 А/с (ампер в секунду) создает ЭДС в 1 В. Индуктивность катушки зависит от ее длины, потому шаг витков стремятся делать как можно меньшим.

Сердечник в катушке может быть регулируемым, тогда элемент имеет переменную индуктивность. Также применяют катушки вовсе без сердечника. Если катушка включена в цепь постоянного тока, то весь эффект от нее состоит в создании электромагнитного поля. Так устроены, например, электрические магниты для захвата металлолома, устанавливаемые на погрузочных кранах.

При проведении эксперимента надо ограничить ток в цепи, посредством включенной последовательно с катушкой нагрузки, иначе возникнет короткое замыкание.

Мощность в индукторе

Мы знаем, что индуктор в цепи противостоит потоку тока I через него, потому что поток этого тока индуцирует ЭДС, которая противостоит ему, закон Ленца. Затем необходимо выполнить работу от внешнего источника батареи, чтобы ток протекал против этой индуцированной ЭДС. Мгновенная мощность, используемая для форсирования тока I по отношению к этой самоиндуцированной ЭДС (V _L), определяется как:

Мощность в цепи задается как P = V * I, поэтому:

Идеальный индуктор не имеет сопротивления, только индуктивность, поэтому R = 0 Ом, и поэтому мощность в катушке не рассеивается, поэтому можно сказать, что идеальный индуктор имеет нулевую потерю мощности.

Обзор пассивных компонентов

Современная радиоэлектронная аппаратура (РЭА) содержит огромное количество электрорадиокомпонентов, т.е. самостоятельных  изделий, выполняющих определенные функции. Электрорадиоэлементы подразделяют на активные и пассивные. К активным относятся транзисторы,  микросхемы ,электронные лампы и т.д., т. е. элементы, способные усиливать или преобразовывать электрические сигналы. К пассивным относятся резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы, трансформаторы, коммутационные элементы, т. е. такие элементы, которые предназначены для перераспределения электрической энергии.

Сетевая инфраструктура современного офиса состоит из множества составляющих, правильный выбор которых имеет существенное значение для успешной работы всей инфраструктуры в целом. Пассивные компоненты  играют при этом также немаловажную  роль, обеспечивают среде передачу данных, а также внешний вид, эстетику. Пассивным элементом схемы называется элемент, не имеющий внутренних источников энергии, и выполняющий либо накопление энергии (конденсатор, индуктивность), либо ее рассеяние (резистор).

Пассивные компоненты по сути соответствует пассивному элементу схемы. Пассивные компоненты характеризуются малыми размерами, малым числом выводов (как правило, два-три), низкой стоимостью и, как правило, достаточно высокой стойкостью к воздействиям при сборке узлов. Пассивные элементы могут выступать как дискретные компоненты и как элементы интегральных микросхем. В РЭА интегральные микросхемы  имеют очень большой удельный вес, но пассивные компоненты являются все же самыми распространенными изделиями электронной промышленности. Это можно объяснить  тем, что некоторые элементы трудно выполнить в микросхемном исполнении. Практически невозможно в ИМС изготовить конденсаторы большой емкости, резисторы с большим сопротивлением, сложности в разработке интегральных катушек индуктивности и трансформаторов. Кроме того технические характеристики дискретных элементов лучше, чем интегральных.

Катушки индуктивности разных размеров

Предыдущая
РадиодеталиЧто такое подстроечный резистор: описание устройства и область его применения
Следующая
РадиодеталиДроссели в электрике: что это и где используются?

Назначение и принцип действия

Специалисты задаются вопросом, зачем нужна токовая катушка индуктивности в цепи, и для этого необходимо разобраться в показателях. Коэффициент ЭДС (электродвижущая сила) показывает разницу между энергией и магнитным потоком. Устройства самоиндукции способны влиять на изменения в цепи. Чаще всего дроссели применяются в силовых установках. Они способны контролировать уровень напряжения, не допускают разрыва цепи.

Устройства самоиндукции

Также компоненты устанавливаются на пару с конденсаторами либо резисторами. Благодаря работе катушки фильтры находятся в безопасности. Теперь вызывает интерес, как включается индукционная катушка. Принцип работы построен на изоляции проводников. В конструкции используется электрический каркас с различным сечением. За счёт намоток обеспечивается распределение ёмкости на дросселе.

Интересно! Витки наматываются с определенным шагом, многое зависит от типа катушки.

Свойства катушки индуктивности

Свойства катушки индуктивности:

• Скорость изменения тока через катушку ограничена и определяется индуктивностью катушки.
• Сопротивление (модуль импеданса) катушки растет с увеличением частоты текущего через неё тока.
• Катушка индуктивности при протекании тока запасает энергию в своём магнитном поле. При отключении внешнего источника тока катушка отдаст запасенную энергию, стремясь поддержать величину тока в цепи. При этом напряжение на катушке нарастает, вплоть до пробоя изоляции или возникновения дуги на коммутирующем ключе.

Катушка индуктивности в электрической цепи для переменного тока имеет не только собственное омическое (активное) сопротивление, но и реактивное сопротивление переменному току, нарастающее при увеличении частоты, поскольку при изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая этому изменению.

Катушка индуктивности обладает реактивным сопротивлением, модуль которого XL=ωL{\displaystyle X_{L}=\omega L}, где L{\displaystyle L} — индуктивность катушки, ω{\displaystyle \omega } — циклическая частота протекающего тока. Соответственно, чем больше частота тока, протекающего через катушку, тем больше её сопротивление.

Катушка с током запасает энергию в магнитном поле, равную работе, которую необходимо совершить для установления текущего тока I{\displaystyle I}.{2}{\mbox{.}}}

При изменении тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, значение которой:

ε=−LdIdt.{\displaystyle \varepsilon =-L{dI \over dt}{\mbox{.}}}

Для идеальной катушки индуктивности (не имеющей паразитных параметров) ЭДС самоиндукции равна по модулю и противоположна по знаку напряжению на концах катушки:

|ε|=−ε=U.{\displaystyle |\varepsilon |=-\varepsilon =U{\mbox{.}}}

При замыкании катушки с током на резистор происходит переходной процесс, при котором ток в цепи экспоненциально уменьшается в соответствии с формулой:

I=Iexp(−tT),{\displaystyle I=I_{0}exp(-t/T){\mbox{,}}}

где : I{\displaystyle I} — ток в катушке,

I{\displaystyle I_{0}} — начальный ток катушки,

t{\displaystyle t} — текущее время,

T{\displaystyle T} — постоянная времени.

Постоянная времени выражается формулой:

T=L(R+Ri),{\displaystyle T=L/(R+R_{i}){\mbox{,}}}

где R{\displaystyle R} — сопротивление резистора,

Ri{\displaystyle R_{i}} — омическое сопротивление катушки.

При закорачивании катушки с током процесс характеризуется собственной постоянной времени Ti{\displaystyle T_{i}} катушки:

Ti=LRi.{\displaystyle T_{i}=L/R_{i}{\mbox{.}}}

При стремлении Ri{\displaystyle R_{i}} к нулю, постоянная времени стремится к бесконечности, именно поэтому в сверхпроводящих контурах ток течёт «вечно».

В цепи синусоидального тока, ток в катушке по фазе отстаёт от фазы напряжения на ней на π/2.

Явление самоиндукции аналогично проявлению инертности тел в механике, если аналогом индуктивности принять массу, тока — скорость, напряжения — силу, то многие формулы механики и поведения индуктивности в цепи принимают похожий вид:

F =mdvdt{\displaystyle F\ =m{dv \over dt}} |ε|=LdIdt{\displaystyle |\varepsilon |=L{dI \over dt}},

где

F {\displaystyle F\ } |ε|{\displaystyle |\varepsilon |} U {\displaystyle U\ } ; m {\displaystyle m\ } L {\displaystyle L\ } ; dv {\displaystyle dv\ } dI {\displaystyle dI\ }

Ecoxp=12LI2{\displaystyle E_{\mathrm {coxp} }={1 \over 2}LI^{2}} Ekinet=12mv2{\displaystyle E_{\mathrm {kinet} }={1 \over 2}mv^{2}}

Ток и напряжение в индукторе

Сколько индуктивного напряжения будет генерироваться индуктором, зависит от скорости изменения тока. В нашем уроке об электромагнитной индукции закон Ленца гласил: «Направление индуцированной ЭДС таково, что оно всегда будет противостоять изменению, которое его вызывает». Другими словами, индуцированная ЭДС всегда будет противопоставлять движение или изменение, которые изначально вызвали индуцированную ЭДС.

Таким образом, при уменьшении тока полярность напряжения будет действовать как источник, а при увеличении тока полярность напряжения будет действовать как нагрузка. Таким образом, при одинаковой скорости изменения тока через катушку, увеличение или уменьшение величины индуцированной ЭДС будет одинаковым.

Конструкция

Конструктивно выполняется в виде винтовых или винтоспиральных (диаметр намотки изменяется по длине катушки) катушек однослойных или многослойных намоток изолированного одножильного или многожильного (литцендрат) проводника на диэлектрическом каркасе круглого, прямоугольного или квадратного сечения, часто на тороидальном каркасе или, при использовании толстого провода и малом числе витков — без каркаса. Иногда, для снижения распределённой паразитной ёмкости, при использовании в качестве высокочастотного дросселя однослойные катушки индуктивности наматываются с «прогрессивным» шагом — шаг намотки плавно изменяется по длине катушки.
Намотка может быть как однослойной (рядовая и с шагом), так и многослойной (рядовая, внавал, типа «универсал»). Намотка «универсал» имеет меньшую паразитную ёмкость. Часто, опять же, для снижения паразитной ёмкости, намотку выполняют секционированной, группы витков отделяются пространственно (обычно по длине) друг от друга.

Для увеличения индуктивности катушки часто снабжают замкнутым или разомкнутым ферромагнитным сердечником. Дроссели подавления высокочастотных помех имеют ферродиэлектрические сердечники: ферритовые, флюкстроловые, из карбонильного железа. Дроссели, предназначенные для сглаживания пульсаций промышленной и звуковой частот, имеют сердечники из электротехнических сталей или магнитомягких сплавов (пермаллоев). Также сердечники (в основном ферромагнитные, реже диамагнитные) используют для изменения индуктивности катушек в небольших пределах путём изменения положения сердечника относительно обмотки. На сверхвысоких частотах, когда ферродиэлектрики теряют свою магнитную проницаемость и резко увеличивают потери, применяются металлические (латунные) сердечники.

На печатных платах электронных устройств также иногда делают плоские «катушки» индуктивности: геометрия печатного проводника выполняется в виде круглой или прямоугольной спирали, волнистой линии или в виде меандра. Такие «катушки индуктивности» часто используются в сверхбыстродействующих цифровых устройствах для выравнивания времени распространения группы сигналов по разным печатным проводникам от источника до приемника, например, в шинах данных и адреса.

Терминология

Стандартизированные термины:

Индуктивная катушка — элемент электрической цепи, предназначенный для использования его индуктивности (ГОСТ 19880-74, см. термин 106).

Катушка индуктивности — индуктивная катушка, являющаяся элементом колебательного контура и предназначенная для использования её добротности (ГОСТ 20718-75, см. термин 1).

Электрический реактор — индуктивная катушка, предназначенная для использования её в силовой электрической цепи (ГОСТ 18624-73, см. термин 1). Одним из видов реактора является токоограничивающий реактор, например, для ограничения тока короткого замыкания ЛЭП.

При использовании для подавления помех, сглаживания пульсаций электрического тока, изоляции (развязки) по высокой частоте разных частей схемы и накопления энергии в магнитном поле сердечника часто называют дросселем, а иногда реактором. Стоит отметить, что такое толкование нестандартизированного термина «дроссель» (являющегося калькой с нем. Drossel) пересекается со стандартизированными терминами. В случае если работа данного элемента цепи основана на добротности катушки, то такой элемент следует называть «катушкой индуктивности», в противном случае «индуктивной катушкой».

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой намного превышает диаметр, называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно. Кроме того, зачастую соленоидом называют устройство, выполняющее механическую работу за счёт магнитного поля при втягивании ферромагнитного сердечника, или электромагнитом. В электромагнитных реле называют обмоткой реле, реже — электромагнитом.

Нагревательный индуктор — специальная катушка индуктивности, рабочий орган установок индукционного нагрева.

При использовании для накопления энергии (например, в схеме импульсного стабилизатора напряжения) называют индукционным накопителем или накопительным дросселем.

Самоиндукция

Катушка индуктивности обладает также очень интересным свойством. При подаче на катушку постоянного напряжения, в катушке возникает на короткий промежуток времени противоположное напряжение.

Это противоположное напряжение называется ЭДС самоиндукции. Эта ЭДС зависит от значения индуктивности катушки. Поэтому, в момент подачи напряжения на катушку сила тока в течение долей секунд плавно меняет свое значение от 0 до некоторого значения, потому что напряжение, в момент подачи электрического тока, также меняет свое значение от ноля и до установившегося значения. Согласно Закону Ома:

где

I – сила тока в катушке , А 

U – напряжение в катушке, В 

 R – сопротивление катушки, Ом

Как мы видим по формуле, напряжение меняется от нуля и до напряжения, подаваемого в катушку, следовательно и ток тоже будет меняться от нуля и до какого то значения. Сопротивление катушки для постоянного тока также постоянное.

И второй феномен в катушке индуктивности заключается в том, что если мы разомкнем цепь катушка индуктивности – источник тока, то у нас ЭДС самоиндукции будет суммироваться к напряжению, которое мы уже подали на катушку.

То есть как только мы разрываем цепь, на катушке напряжение в этот момент может быть  в разы больше, чем было до размыкания  цепи, а сила тока в цепи катушки будет тихонько падать, так как ЭДС самоиндукции будет поддерживать убывающее напряжение.

Сделаем первые выводы о работе катушки индуктивности при подаче на нее постоянного тока. При подаче на катушку электрического тока, сила тока будет плавно увеличиваться, а при снятии электрического тока с катушки, сила тока будет плавно убывать до нуля. Короче говоря, сила тока в катушке мгновенно измениться не может.

Маркировка

При рассмотрении катушек индуктивности оценивается цветовая и кодовая маркировка. Если смотреть на первые цифры, отображается показатель индуктивности. Далее учитывается параметр отклонения:

• Серебряный 0,01 мкГн, 10%.
• Золотой 0,1 мкГн, 5%.
• Черный 0,1мкГн, 20%.
• Коричневый 1,1 мкГн.
• Красный 2, 2 мкГн.
• Оранжевый 1 мкГн.
• Желтый 4 мкГн.
• Зеленый 5 мкГн.
• Голубой 6 мкГн.
• Фиолетовый 7мкГн.
• Серый 8 мкГн.
• Белый 9 мкГн.

Маркировка

В нестабильной цепи переменного электрического тока не обойтись без катушки индуктивности. Выше описаны основные типы изолированных проводников, продемонстрированы их параметры. Учитывается уровень частоты, а также свойства.

Приветствую всех на нашем сайте!

Мы продолжаем изучать электронику с самого начала, то есть с самых основ и темой сегодняшней статьи будет принцип работы и основные характеристики катушек индуктивности. Забегая вперед скажу, что сначала мы обсудим теоретические аспекты, а несколько будущих статей посвятим целиком и полностью рассмотрению различных электрических схем, в которых используются катушки индуктивности, а также элементы, которые мы изучили ранее в рамках нашего курса – резисторы и конденсаторы.

Катушка индуктивности в цепи переменного тока.

Рассмотрим цепь, в которой на катушку индуктивности подается переменный ток:

Давайте посмотрим на зависимости тока и ЭДС самоиндукции от времени, а затем уже разберемся, почему они выглядят именно так:

Как мы уже выяснили ЭДС самоиндукции у нас прямо пропорциональна и противоположна по знаку скорости изменения тока:

Собственно, график нам и демонстрирует эту зависимость Смотрите сами – между точками 1 и 2 ток у нас изменяется, причем чем ближе к точке 2, тем изменения меньше, а в точке 2 в течении какого-то небольшого промежутка времени ток и вовсе не изменяет своего значения. Соответственно скорость изменения тока максимальна в точке 1 и плавно уменьшается при приближении к точке 2, а в точке 2 равна 0, что мы и видим на графике ЭДС самоиндукции. Причем на всем промежутке 1-2 ток возрастает, а значит скорость его изменения положительна, в связи с этим на ЭДС на всем этом промежутке напротив принимает отрицательные значения.

Аналогично между точками 2 и 3 – ток уменьшается – скорость изменения тока отрицательная и увеличивается – ЭДС самоиндукции увеличивается и положительна. Не буду расписывать остальные участки графика – там все процессы протекают по такому же принципу

Кроме того, на графике можно заметить очень важный момент – при увеличении тока (участки 1-2 и 3-4) ЭДС самоиндукции и ток имеют разные знаки (участок 1-2: 0″ title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />, участок 3-4: 0″ title=»Rendered by QuickLaTeX.com» />,

Где – круговая частота: . – это частота переменного тока.

Таким образом, чем больше частота тока, тем большее сопротивление будет ему оказывать катушка индуктивности. А если ток постоянный ( = 0), то реактивное сопротивление катушки равно 0, соответственно, она не оказывает влияния на протекающий ток.

Давайте вернемся к нашим графикам, которые мы построили для случая использования катушки индуктивности в цепи переменного тока. Мы определили ЭДС самоиндукции катушки, но каким же будет напряжение ? Здесь все на самом деле просто По 2-му закону Кирхгофа:

А следовательно:

Построим на одном графике зависимости тока и напряжения в цепи от времени:

Как видите ток и напряжение сдвинуты по фазе (ссылка) друг относительно друга, и это является одним из важнейших свойств цепей переменного тока, в которых используется катушка индуктивности:

При включении катушки индуктивности в цепь переменного тока в цепи появляется сдвиг фаз между напряжением и током, при этом ток отстает по фазе от напряжения на четверть периода.

Вот и с включением катушки в цепь переменного тока мы разобрались

На этом, пожалуй, закончим сегодняшнюю статью, она получилась уже довольно объемной, поэтому дальнейший разговор о катушках индуктивности мы будем вести в следующий раз. Так что до скорых встреч, будем рады видеть вас на нашем сайте!

В данной статье мы подробно рассмотрим индуктор. Отдельно разберем индуктор на схеме, обратную ЭДС генерируемую индуктором, постоянную времени индуктора, ток и напряжение в индукторе, а так же мощность и энергию в индукторе.

Электродвижущая сила в индукторах – MagLab

Электродвижущая сила (ЭДС) и ее помощник, обратная ЭДС, представляют собой интересные электромагнитные явления, которые на самом деле вообще не являются силами.

ЭДС – это аббревиатура от электродвижущей силы. Ученые склонны не использовать расширенную версию этого термина отчасти потому, что это может вводить в заблуждение: на самом деле ЭДС не является силой в том, как физики используют этот термин. Скорее, это энергия, производимая взаимодействием между током и магнитным полем, когда одно (или оба) изменяется.Оно измеряется в вольтах и ​​иногда приравнивается к напряжению или разности потенциалов.

В приведенном ниже руководстве описывается как ЭДС, так и связанное с ней явление, против ЭДС (или против ЭДС ). EMF объясняет внезапное мигание лампочки в изображенной схеме как при подключении, так и при отключении.

Учебное пособие содержит простую схему из батареи, рубильника и лампочки (действующей как резистор , препятствующий прохождению тока).Он также содержит индуктор в виде проволочной катушки. Индукторы хранят энергию в виде магнитных полей, которые генерируются вокруг них током, проходящим через провод.

Посмотрите, как это работает, нажав на синюю кнопку Turn On , чтобы включить рубильник и включить цепь, обозначенную желтым свечением в цепи. Обратите внимание на синие силовые линии магнитного поля (проявление ЭДС), которые формируются вокруг катушки индуктора, что объясняется законом индукции Фарадея.Также обратите внимание, что лампочка на мгновение мигает, а затем гаснет. Этот эффект объясняется обратной ЭДС.

Когда электричество проходит по цепи, его первоначальное предпочтение – избегать лампочки и двигаться по пути наименьшего сопротивления через спиральный провод. Но, по крайней мере, на несколько мгновений, электричество действительно проходит через лампочку, вызывая короткую вспышку. Это происходит, когда катушка на короткое время создает собственное сопротивление току в виде обратной ЭДС. Эта обратная ЭДС создается в результате закона Ленца , который гласит, что в цепи с наведенной ЭДС, вызванной изменением в магнитном поле, наведенная ЭДС заставляет ток течь в направлении, противоположном . изменение потока.Другими словами, если увеличивающееся магнитное поле индуцирует ЭДС, результирующий ток будет препятствовать дальнейшему увеличению.

Так как магнитное поле в индукторе растет, он индуцирует ток, который противодействует току, генерируемому батареей. В результате ток батареи легче протекает через лампочку – по крайней мере, до тех пор, пока магнитное поле индуктора не достигнет устойчивого состояния (не перестанет меняться), что положит конец обратной ЭДС.

Эффект обратной ЭДС можно также увидеть, если нажать красную кнопку Turn Off , чтобы прервать цепь.Обратите внимание, что силовые линии магнитного поля начинают разрушаться по мере замедления электрического тока. В этом проявлении закона Ленца уменьшающееся магнитное поле индуцирует ЭДС, а результирующий ток препятствует дальнейшему уменьшению. Результирующий ток течет по цепи к лампочке, которая вспыхивает с этим скачком, а затем гаснет, когда электричество полностью исчезает из цепи.

---

Благодарю нашего научного консультанта на этой странице, г-на Джеймса Энди Пауэлла, инженера-электронщика в отделе КИП и эксплуатации MagLab.

устройств

устройств

Устройства

Генераторы переменного тока

Магнитный поток через область может измениться, потому что напряженность поля меняется, или потому что направление поля меняется. Вращая постоянный магнит перед проволочной петлей или вращение проволочной петли перед постоянный магнит приведет к изменению магнитного потока через петлю. Это изменение потока создает ЭДС, и в контуре начинает течь ток.У нас есть электрогенератор . Базовый Функция генератора заключается в преобразовании механической энергии в электрическую. На рисунке справа показан простой электрогенератор.

Для вращения катушки с проволокой, расположенной между полюсные грани постоянного магнита. Магнитный поток через плоскость катушка имеет максимальное значение, когда эта плоскость перпендикулярна магнитному полю. силовые линии между полюсами.Как катушка поворачивается и плоскость катушки становится параллельным силовым линиям, поток становится равным нулю. Как катушка продолжает вращаться, силовые линии проходят через катушку в направлении противоположном начальному направлению. Вращение катушки вызывает магнитный поток проходя через катушку для непрерывного изменения от максимума в одном направлении, до нуля, до максимума в обратном направлении и так далее. ЭДС индуцируется в катушка из-за этого изменяющегося магнитного потока.Величина наведенного ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Чем быстрее витков катушки, тем больше максимальное значение наведенной ЭДС, так как увеличивается угловая скорость вызывает более быстрое изменение магнитного потока.

Фигура на справа показаны графики непрерывно изменяющегося магнитного потока и наведенная ЭДС в зависимости от времени. По закону Фарадея величина наведенной ЭДС равна скорости изменения магнитного потока, поэтому его максимальные значения происходят когда кривая потока имеет наибольший наклон.Индуцированная ЭДС проходит через нуль когда кривая потока имеет нулевой наклон. Мы наблюдаем фазовый сдвиг 90 ^o между потоком и наведенной ЭДС. Если катушка генератора является частью замкнутой цепи, и течет ток в цепи катушка становится магнитным диполем с дипольным моментом m = IA n в магнитном поле. Крутящий момент τ = мкм × B пытается выровнять этот диполь с магнитным полем.Катушка должна быть повернутый, и механическая работа должна выполняться против этого крутящего момента. Чем ниже сопротивление цепи, чем больше ток течет и тем больше механическая работа должно быть сделано. Скорость, с которой должна выполняться механическая работа, равна мощность, рассеиваемая схемой.

Ссылка: Генератор переменного тока Демонстрация (Youtube)

Ваш браузер не поддерживает видео в формате HTML5.
генератор переменного тока

ЭДС, создаваемая генератором, представляет собой переменную ЭДС .Это одна из причин того, что у нас есть переменный ток. система распределения электроэнергии. Для производства электроэнергии в США угловая скорость обмоток генератора составляет 60 * 2π / с. Частота 60 Гц. Электрогенераторы, используемые на электростанциях, напоминают простой, который мы описали здесь. Обычно у них более одной катушки и магниты – это скорее электромагниты, чем постоянные магниты, но принцип операция такая же.

Одно и то же основное устройство может использоваться как электродвигатель или как электрический генератор.В основе как двигателя, так и генератора лежит проволочная катушка в магнитное поле. Когда устройство используется в качестве двигателя, ток проходит через катушка. Взаимодействие магнитного поля с током приводит к тому, что катушка крутить. Чтобы использовать устройство в качестве генератора, катушка вращается, индуцируя ток в катушке.

Вращающийся двигатель также действует как генератор. Катушки двигателя вращаются магнитное поле. Следовательно, ЭДС ε индуцируется в катушки.Это известно как обратная ЭДС . Это противодействует приложенному напряжению V и уменьшает ток, протекающий через катушки. Ток, протекающий через двигатель, когда он вращается с постоянным угловым скорость определяется как I = (V – ε) / R, где R – сопротивление катушек. Когда двигатель запускается из состояния покоя, течет больший ток, потому что нет обратной ЭДС. Начальный ток I = V / R. Поскольку обратная ЭДС ε обычно составляет большую часть приложенного напряжения V начальный ток намного больше установившегося.Когда сначала запускается холодильник или кондиционер, он потребляет большой ток, что может вызвать кратковременное падение напряжения в сети. Вы можете заметить огни тускло на мгновение.

---

Вихревые токи

Вихревые токи – это токи циркулирует в проводнике в ответ на изменение магнитного поля. В циркулирующие токи создают магнитное поле, противодействующее изменению магнитного потока. Эдди токи преобразуют упорядоченную энергию, например кинетическую, в тепловую.В большинстве случаев это нежелательно. Однако есть некоторые практические приложения, такие как магнитные разрыватели некоторых поездов. Рассмотрим какую-нибудь часть движущегося металлического колеса. Поскольку этот раздел движется через магнитное поле от электромагнита, поток через сечение сначала увеличивается, а затем уменьшается. Изменяющийся поток порождает вихревые токи в этой части колеса. Магнитное взаимодействие между приложенное поле и поле, создаваемое вихревыми токами, создают магнитное тянет и тормозит колесо.

На диаграмме справа показано колесо, вращающееся перед магнитом, с магнитный момент и магнитное поле, указывающее за пределы страницы. Колесо крутится против часовой стрелки. В секции справа от магнита поток равен убывает, на участке слева – увеличивается. Вихревые токи текут как показано, чтобы противостоять изменению потока. Вихревые токи, протекающие по правой стороне иметь магнитный момент, указывающий за пределы страницы, что приводит к южному полюсу ближе к северному полюсу магнита.В отличие от полюсов притягивают. В часть диска, которая только что прошла мимо магнита, тянется назад к магнит. Вихревые токи текущие на левой стороне имеют магнитный момент, указывающий на страницу, который приводит к тому, что северный полюс ближе к северному полюсу магнита. Как полюса отталкивать. Участок диска, приближающийся к магниту, подвергается отталкивается от магнита. Магнитные взаимодействия приводят к результирующей силе, направленной влево, и крутящий момент, уменьшающий угловой момент колеса.Чем быстрее колесо вращая, тем сильнее эффект. Когда поезд замедляется, сила сопротивления равна уменьшен, обеспечивая плавное остановочное движение.

Ваш браузер не поддерживает видео в формате HTML5.
Колесо крутится перед магнитом

Умные конструкции могут использовать вихревые токи.
Фигурка справа показывает металл пластина перед набором электромагнитов. Если ток в наборах включается и выключается, последовательно слева направо справа, эффект такой же, как если бы магнит двигался слева в направлении справа по пластине (или, в другой системе отсчета, пластина была двигаясь справа налево через магнит).Взаимодействие между поле, создаваемое вихревыми токами и приложенным полем, ускоряет пластину. Это принцип линейный асинхронный двигатель .

На рисунке поток уменьшается в левой части пластины. и увеличиваясь в правом сечении пластины, так как магниты повернуты последовательно. Вихревые токи протекают, чтобы противодействовать изменению потока. В магнитные взаимодействия между полями, создаваемыми вихревыми токами, и приложенное поле создает результирующую силу вправо, ускоряя пластину.Линейные асинхронные двигатели рассматриваются как основное средство спуска грузов на воду. из будущих космических колоний. Они также используются для приведения в движение поездов МАГЛЕВ.

Ваш браузер не поддерживает видео в формате HTML5. Ваш браузер не поддерживает видео в формате HTML5.

На видео показан маятник из алюминиевых лопастей. Весло либо сплошная алюминиевая пластина, либо с прорезями, как гребешок. Весло качается между полюсами магнита.Видео 1 показывает, как вихревые токи могут тормозить качание маятника, а видео 2 показывает, как вихревые токи могут вызвать движение магнит, чтобы тащить за собой весло.

Ссылка: Эдди демо токенов (Youtube)

Модуль 5: Вопрос 2

Мощную индукционную пушку можно сделать, поместив металлический цилиндр внутрь катушка соленоида. Цилиндр принудительно выталкивается, когда ток в соленоиде включился быстро.Почему может ли цилиндр нагреться при выстреле из пушки?

Обсудите это со своими однокурсниками на дискуссионном форуме!
Используйте законы Фарадея и Ленца, чтобы объяснить, как это работает.

---

Трансформаторы

Функция трансформатора заключается в изменении напряжения так, чтобы оно соответствовало потребности конкретного приложения.

Прототип трансформатора с намотанной первичной и вторичной обмотками. по обе стороны от железного кольца.Если ток в первичной обмотке меняется, поток через вторичную обмотку изменяется, и во вторичной обмотке индуцируется ЭДС. катушка. ЭДС, наведенная во вторичной обмотке, пропорциональна количеству витков N ₂ вторичной обмотки, так как количество витков определяет полный магнитный поток, проходящий через эту катушку. Индуцированная ЭДС также пропорционально напряжению V ₁ на первичной обмотке, так как это определяет величину первичного тока и связанных с ним магнитных поле.Однако индуцированное напряжение обратно пропорционально количеству витков N ₁ первичной обмотки. Отношение принимает вид

V ₂ / N ₂ = V ₁ / N ₁ .

Отношение количества витков на двух катушках определяет соотношение напряжения. Самоиндуктивность является причиной того, что ЭДС, индуцированная во вторичной обмотке. катушка обратно пропорциональна количеству витков первичной катушки.Если у первичной обмотки больше витков, труднее произвести быстрое изменение ток, протекающий через него, из-за обратной ЭДС, вызванной самоиндукцией. Этот эффект ограничивает ток и, следовательно, величину магнитного поля. производится первичной обмоткой, которая, в свою очередь, ограничивает прохождение магнитного потока через вторичную обмотку.

Проблема:

Для работы электропоезда требуется 12 В, но напряжение на выходе составляет 120 В. Каково отношение количества витков на первичной катушке к количеству витков на вторичной обмотке трансформатора, который вы используете?

Решение:

• Рассуждение:
  Для трансформатора V ₂ / N ₂ = V ₁ / N ₁ .
• Детали расчета:
  N ₁ / N ₂ = V ₁ / V ₂ . Вам нужен трансформатор с десятью в раз больше витков на первичной обмотке, чем на вторичной обмотке.

---

Электронно-лучевая трубка в старомодном телевизоре требует гораздо более высокого напряжения, чем 120 В. Трансформатор должен иметь на вторичной обмотке намного больше витков, чем на первичная обмотка.

Если выходное напряжение выше входного, мы как-то получить от трансформатора больше мощности, чем мы вложили?

Ответ, конечно, нет.Мощность, подаваемая во вторичную цепь, равна всегда меньше или в лучшем случае равна мощности, подаваемой на первичную обмотку. Поскольку электрическая мощность может быть выражена как произведение напряжения на тока, сохранение энергии дает второе соотношение, полезное для анализирующий трансформатор.

В ₂ I ₂ ≤ V ₁ I ₁ .

Высокое выходное напряжение связано с низким выходным током. Выход мощность не превышает входную мощность.Если напряжение понижается, то вторичный ток может быть больше первичного.

Ваш браузер не поддерживает видео в формате HTML5. Ваш браузер не поддерживает видео в формате HTML5.

На видео показан стальной сердечник катушки, подключенной к источнику переменного тока. Когда питание включено, магнитный поток через сердечник меняется с частотой 60 Гц. На видео 1 показано алюминиевое кольцо, наложенное на железный сердечник.Поток через кольцо меняется с частотой 60 Гц и возникают вихревые токи. вызвать в кольцо. Магнитное поле из-за этих вихревых токов противодействует поток изменяется, создавая токи, и диск отталкивается. Видео 2 показывает петля из медной проволоки, соединенная последовательно с лампочкой, помещается поверх железного сердечника. В вихревые токи, протекающие по цепи из медного провода и колбы, вызывают возникновение колбы. светиться.

Ссылка: А демонстрация трансформатора (Youtube)

---

Трансформаторы и распределение энергии

Высокое напряжение желательно для передачи электроэнергии на большие расстояния.Чем выше напряжение, тем меньше ток. Поскольку мощность, рассеиваемая в провода в виде тепла P = I ² R, меньше энергии тратится, когда протекает меньший ток. Напряжение передачи может достигать 230 кВ. Трансформаторы на электрические подстанции снижают эти напряжения до 7200 вольт для распределения по городам. Трансформаторы на опорах электросети или частично под землей снижают это напряжение на 220 В. Это напряжение переменного тока разделяется внутри здания для получения 110 В на большинстве розеток.В полные 220 В доступны для печей, сушилок и электронагревателей.

Проблема:

Зарядное устройство для сотового телефона содержит трансформатор, который понижает 120 В переменного тока до 5 В переменного тока для зарядки аккумулятора 3,7 В. (Он также содержит диоды для изменения напряжения 5 В. От переменного тока до 5 В постоянного тока.) Предположим, вторичная катушка содержит 30 витков, а зарядное устройство подает 700 мА. Вычислить
(а) количество витков в первичной обмотке,
(б) средний ток в первичной обмотке, а
(c) преобразованная мощность.

Решение:

• Рассуждение:
  Для трансформатора V ₂ / N ₂ = V ₁ / N ₁ , V ₂ I ₂ = V ₁ I ₁ .
• Детали расчета:
  (а) N ₁ / N ₂ = V ₁ / V ₂ . № ₁ = N ₂ V ₁ / V ₂ = 30 * 120/5 = 720.
  Первичная катушка имеет 720 витков.
  (б) V ₂ I ₂ = V ₁ I ₁ если потеря мощности незначительна. I ₁ = V ₂ I ₂ / V ₁ = 5 * 0,7 / 120 А = 29 мА.
  Средний ток в первичной обмотке составляет 29 мА.
  (в) P = V ₂ I ₂ = V ₁ I ₁ – преобразованная средняя мощность. P = 5 В * 0,7 А = 3,5 Вт.

Физика – Электродвижущая сила – Бирмингемский университет

Электродвижущая сила (ЭДС) равна разности потенциалов на клеммах при отсутствии тока.ЭДС и разность потенциалов на клеммах ( В, ) измеряются в вольтах, но это не одно и то же. ЭДС ( ϵ ) – это количество энергии ( E ), обеспечиваемое батареей для каждого проходящего кулон заряда ( Q ).

Как рассчитать ЭДС?

ЭДС можно записать через внутреннее сопротивление батареи ( r ) где: ϵ = I (r + R )

Что из закона Ома, мы можем затем изменить это в терминах оконечного сопротивления: = В + Ir

ЭДС ячейки может быть определена путем измерения напряжения на ячейке с помощью вольтметра и тока в цепи с помощью амперметра для различных сопротивлений.Затем мы можем настроить схему для определения ЭДС, как показано ниже.

ЭДС и внутреннее сопротивление электрических элементов и аккумуляторов

Исследование ЭМП

Как закон Фарадея соотносится с ЭМП?

Закон Фарадея гласит, что любое изменение магнитного поля катушки будет индуцировать в катушке ЭДС (а следовательно, и ток). Он пропорционален минус скорости изменения магнитного потока ( ϕ ) (примечание: N, – количество витков в катушке).

Используя закон Фарадея, общество извлекло выгоду из таких важных технологий, как трансформаторы, которые используются для передачи электроэнергии в национальной энергосистеме Великобритании, которая теперь является необходимостью в наших домах. Также он используется в электрических генераторах и двигателях, таких как плотины гидроэлектростанций, которые производят электричество, которое сейчас является неотъемлемой частью наших современных технологических потребностей. Текущий исследовательский проект MAG-DRIVE в Бирмингеме направлен на поиск способов разработки и улучшения материалов с постоянными магнитами, которые могут быть использованы в электромобилях следующего поколения.ЭМП также генерируется солнечными батареями, поэтому они важны для исследований в области возобновляемых источников энергии.

Лаборатория признаний

В подкасте «Лаборатория исповеди» исследователи рассказывают о своем лабораторном опыте в контексте практических экзаменов A Level. Эпизоды, посвященные правильному использованию цифровых инструментов (простое гармоническое движение), правильному построению принципиальных схем (удельное сопротивление в проводе) и использованию источников питания постоянного тока (конденсаторов), имеют отношение к эксперименту по ЭДС, ниже вы можете услышать удельное сопротивление. в проводном подкасте.

Как мы интерпретируем наши данные?

По мере увеличения сопротивления переменного резистора величина тока будет уменьшаться. График зависимости напряжения от тока должен давать линейную зависимость, где градиент линии дает отрицательное внутреннее сопротивление ячейки ( -r ), а точка пересечения дает ЭДС (напряжение, при котором ток равен 0).

Выполнение нескольких измерений при разных значениях сопротивления даст больше точек на графике V-I, что сделает подбор более надежным.Также рекомендуется повторить измерения, так как ячейка будет постепенно стекать, что повлияет на показания. Во избежание разряда элемента / батареи ее следует отключать между измерениями. В качестве альтернативы в схему можно включить выключатель. Также не рекомендуется использовать аккумуляторные батареи, так как они имеют низкое внутреннее сопротивление.

Несмотря на то, что этот эксперимент довольно прост, он поможет вам отличить конечную разницу от ЭДС, что может быть сложной концепцией для понимания учащимися.Поскольку люди все больше полагаются на электричество, исследования, связанные с ЭМП, важны для развития и технического прогресса электричества.

Следующие шаги

Эти ссылки предоставлены только для удобства и в информационных целях; они не означают одобрения или одобрения Бирмингемским университетом какой-либо информации, содержащейся на внешнем веб-сайте. Бирмингемский университет не несет ответственности за точность, законность или содержание внешнего сайта или последующих ссылок.Пожалуйста, свяжитесь с внешним сайтом для получения ответов на вопросы относительно его содержания.

Обратная ЭДС и демпфер – Embedded.com

Студентов-электротехников обучают магнетизму и тому, что энергия накапливается в индукторе, когда он находится под напряжением. Это можно представить в теоретическом смысле и применить к таким темам, как импульсные источники питания. Что не привлекает особого внимания, так это тот факт, что во многие устройства встроены индукторы, и что там все еще применяются правила энергии и рассеивания энергии.Реальный мир изобилует реле, и вполне вероятно, что начинающему инженеру придется активировать некоторые из них. Успех! Включился нормально, но погоди… при выключении микроконтроллер слетел с ума. Что случилось?

Ну, реле, как соленоид, контактор, двигатель, и кто знает, что еще такое индукторы (они же катушки), и они накапливают энергию, когда находятся под напряжением. Но что происходит с этой энергией, когда катушка обесточивается? Катушка создает обратную ЭДС (электродвижущую силу), которая определяется как V = -L (di / dt).Во-первых, обратите внимание, что оно отрицательное, а во-вторых, в начале процесса dt мало, поэтому V будет большим числом. В переводе это означает, что вы получаете скачок напряжения на клемме катушки, который управляется электроникой. Могут произойти две вещи: напряжение может быть достаточно высоким, чтобы повредить или разрушить электронный драйвер; и шип может излучать и нарушать работу микро (и другой электроники), работающей поблизости. В крайних случаях это может даже вызвать серьезную неисправность. Он также может генерировать достаточно излучения, чтобы вызвать проблему с сертификацией по радиочастотному излучению.

Поскольку избавиться от всех катушек индуктивности невозможно, мы должны подавить эту обратную ЭДС. Наиболее распространенный метод переключения постоянного тока – использование диода параллельно катушке реле (также известного как диод свободного хода), как показано на рисунке 1a. Когда нагрузка находится под напряжением, диод имеет обратное смещение и не действует. Когда нагрузка обесточена, диод становится смещенным в прямом направлении. Накопленная энергия рассеивается обратно через катушку, и напряжение на драйвере ограничивается на 0,7 В выше напряжения питания реле.Соответствующий диод следует подбирать исходя из следующего. Он должен иметь PIV (пиковое обратное напряжение), равное напряжению питания. Ток через катушку не может изменяться мгновенно, так что ток, протекающий через катушку при активации, шунтируется через диод при деактивации, а затем затухает, поэтому ток, протекающий через катушку, является максимальным током, который, как ожидается, пройдет через диод. Техника свободно вращающихся диодов настолько распространена, что вы можете купить реле со встроенным диодом (вы когда-нибудь задумывались, почему контакты катушки поляризованы?) Или полупроводниковые драйверы, такие как ULN2803, в которых диод интегрирован в кремний.

Однако диод свободного хода – не панацея. В некоторых случаях, в зависимости от нагрузки, протекание тока в обратном направлении может удерживать катушку включенной до тех пор, пока энергия не рассеется в достаточной степени. Предположим, что соленоид управлял турникетом. Доступ к открыванию турникета может быть задержан на несколько сотен миллисекунд, и когда это происходит в моем спортзале, это очень раздражает, когда вы врезаетесь в эти запертые ворота. Я видел диод, замененный на MOV (Metal Oxide Varistor) или биполярный TVS (ограничитель переходного напряжения), но мне это не нравится, поскольку оба типа устройств, кажется, стареют из-за нескольких поломок и, наконец, перестают работать.В случае MOV он замыкает свои выводы, когда обратная ЭДС превышает напряжение пробоя, поэтому он не лучше диода. TVS сохраняет фиксированное напряжение при пробое, и время протекания тока сокращается.

Также возможно, что диод свободного хода может повредить реле. В примечании к приложению «Подавление катушек может сократить срок службы реле» от TE говорится, что последовательно включенные диод и стабилитрон работают лучше, чем один диод.

Я также видел MOV, TVS и быстрые стабилитроны, используемые в конфигурации, показанной на рисунке 1b.Мои оговорки по поводу старения типов устройств здесь также сохраняются.

Рис. 1. Различные методы подавления обратной ЭДС для постоянного тока. (Источник: Автор)

До сих пор речь шла о катушках с питанием от постоянного тока. А как насчет переменного тока? Что ж, есть метод, который работает как для переменного, так и для постоянного тока, и в основном он включает в себя подключение резистора и конденсатора через катушку индуктивности, как показано на рисунке 2a. Эта комбинация известна как «демпфер». Нередко можно найти демпфер, подключенный к переключателю подачи питания, как показано на рисунке 2b.Это имеет то преимущество, что снижает искрение на переключателе, и, поскольку он, скорее всего, находится на печатной плате, легко добавить резистор и конденсатор в схему. В некоторых случаях с длинными проводами может потребоваться использовать обе цепи.

Однако у демпфера на переключателе есть один недостаток – всякий раз, когда есть конденсатор, есть путь переменного тока. Помимо того факта, что существует напряжение, которое может удивить ничего не подозревающего инженера или техника по обслуживанию, на переключателе будет ток утечки, а в некоторых случаях он может даже активировать нагрузку.Одна из мер противодействия – добавить к нагрузке резистор или конденсатор для уменьшения утечки.

Рисунок 2. Демпферные соединения для подавления обратной ЭДС. (Источник: автор)

Когда катушка обесточена, цепь находится в демпфированной конфигурации LCR. Поскольку катушка и конденсатор являются реактивными, большая часть энергии рассеивается в виде тепла через резистор. В реальном мире во всех компонентах будет выделяться тепло. Но, конечно, возникает вопрос: какие значения вы используете? В этой области вы обнаружите, что производители панелей и другие сторонники отрасли имеют практические правила и будут придерживаться этих ценностей, что бы ни говорили разные эксперты.(Это подозрительно удобные 120R и 0,1 мкФ.) Учитывая, что существует так много переменных, может быть непрактично разрабатывать для каждого конкретного случая. Исследуя эту тему, я обнаружил, что есть даже книга Руди Севернса «Демпферные схемы для силовой электроники», хотя я подозреваю, что она больше нацелена на разработчиков импульсных источников питания. Однако лучшим руководством по расчетам значений, которое я нашел, является Руководство по применению демпфирующих конденсаторов от Cornell Dubilier.

Вы, конечно, можете сократить путь и просто приобрести имеющиеся в продаже глушители катушек, но в любом случае не преподносите себе неприятный сюрприз, когда в следующий раз попытаетесь контролировать что-то в реальном мире.План на обратную ЭДС!

Дополнительные ссылки:

1. Проектирование встроенных систем с использованием микропроцессора Rabbit 3000: взаимодействие, создание сетей и разработка приложений Камал Хайдер и Боб Перрин.

2. Применение подавления обмотки реле с помощью реле постоянного тока: Рекомендации по применению продуктов TE Relay.

Существует ли опасность для здоровья из-за электромагнитных полей и пружин в матрасе? Действуют ли ваши внутренние пружины как антенна?

Узнайте о ЭМП и пружинных блоках, узнайте, что мы используем в наших матрасах, и посмотрите видео с результатами испытаний.

По сценарию Джея Декера
Обновлено больше недели назад

Предыстория

Непроверенный гостевой блог, размещенный на веб-сайте Scientific American в 2010 году, вызвал определенную обеспокоенность в Интернете тем, что может существовать связь между матрасами, содержащими внутренние пружины, и раком, вызванным воздействием высоких ЭМП (электрических и электрических). магнитные поля).

Но в посте есть критическая фактическая ошибка.Согласно веб-сайту журнала Discover : «[Сообщение в блоге в Scientific American] дает объяснение исследователей в точности наоборот: в нем говорится, что пружины действуют как антенны и усиливают радиоволны, увеличивая вероятность рака; исследователи фактически заявили, что пружины ослабляют радиоволны и уменьшают заболеваемость раком ».

Тем не менее, история продолжает распространяться.

Дезинформация и факты

С тех пор на YouTube появилось несколько видеороликов (например, это видео и это видео), на которых изображен человек, держащий измеритель ЭМП (детектор электромагнитного излучения), при измерении результатов по традиционному пружинный матрас.Внутренние пружины, показанные в этих видеороликах, являются внутренними пружинами непрерывной спирали, что означает, что витки соединены между собой плотно скрученной проволокой, называемой спиральной. (Да, в антеннах иногда используются спиральные провода.)

Мы не используем непрерывные катушки (или открытые катушки) или соединительные спиральные провода между катушками в любом матрасе Avocado Green Mattress. Вместо мы используем внутренние пружины в тканевом корпусе – это означает, что каждая катушка индивидуально обернута внутри герметичных тканевых карманов, поэтому они функционируют независимо (в нашем латексном матрасе пружины не используются).Они не связаны между собой. (В качестве справки, это видео объясняет различные типы внутренних пружин.) Это важно, , потому что, если катушки не подключены, их способность функционировать как антенна значительно снижается.

Все еще обеспокоены? Купите все наши латексные матрасы, которые не содержат пружин.

ЭМП и зеленый матрас авокадо

Хотя мы, очевидно, не ученые, мы протестировали наш зеленый матрас авокадо и опубликовали свои результаты, как показано на видео от апреля 2017 года (ниже).Обратите внимание: мы не пытаемся опровергнуть связь между ЭМП и здоровьем. Вместо этого мы просто демонстрируем отсутствие измеримого воздействия ЭМП на наши матрасы.

Что такое безопасный уровень? EPA рекомендует 2,5 миллигаусс (мГ) или меньше. Тем не менее, группа Seletun в 2011 году рекомендует более низкий порог в 1 мГ или меньше.

Проверка фактов с помощью Snopes

«Заблуждение о том, что матрасы со спиральными матрасами способствуют развитию рака, возникло из сообщения в блоге« Scientific American », которое неверно интерпретировало результаты и без того безумно спекулятивной статьи.”

Претензия: Спиральные матрасы вызывают рак за счет усиления радиоволн.
Оценка: Ложь.

Как рассчитать наведенную ЭДС катушки? – MVOrganizing

Как рассчитать наведенную ЭДС катушки?

Расчет наведенной ЭДС Закон Фарадея гласит: Индуцированная ЭДС равна скорости изменения магнитного потока. Магнитный поток = Напряженность магнитного поля x Площадь = BA. Следовательно… Индуцированная ЭДС = (изменение плотности магнитного потока x площадь) / изменение во времени.

Что такое наведенная ЭДС в физике?

Его можно определить как возникновение разности потенциалов в катушке из-за изменений проходящего через нее магнитного потока. Проще говоря, электродвижущая сила или ЭДС, как говорят, индуцируются, когда поток, связывающийся с проводником или катушкой, изменяется.

Как найти наведенную ЭДС в петле?

Рассчитайте производную потока по времени dΦB / dt. Величина наведенной ЭДС, | εind | равно | dΦB / dt |. Если вам нужно найти ток, вы часто можете найти его, используя закон Ома, I = ε / R, где R – сопротивление провода.

Как рассчитать максимальную наведенную ЭДС?

ЭДС = 2Bℓw2ωsinωt = (ℓw) Bωsinωt ЭДС = 2 B ℓ w 2 ω sin ⁡ ω t = (ℓ w) B ω sin ⁡. – максимальная (пиковая) ЭДС. Обратите внимание, что частота колебаний f = ω / 2π, а период T = 1 / f = 2π / ω.

Какой пример для динамически индуцированной ЭДС?

ДИНАМИЧЕСКИ ИНДУЦИРОВАННАЯ ЭДС Таким образом, следуя одному из двух процессов, проводник пересекает магнитное поле, и в катушке индуцируется ЭДС. Это явление имеет место в электрогенераторах и противо-ЭДС двигателей, а также в трансформаторах.

Что такое наведенная ЭДС в цепи?

Чтобы быть полностью точным, если изменить магнитный поток через катушку, будет произведено напряжение. Это напряжение известно как наведенная ЭДС. Магнитный поток – это мера количества силовых линий магнитного поля, проходящих через область.

Какова основная причина наведенной ЭДС?

Самая основная причина наведенной ЭДС – изменение магнитного потока. Размещение катушки с током, которая постоянно движется в стабильном и статическом магнитном поле.Это вызовет изменение вектора площади и, следовательно, будет сгенерирована ЭДС.

Что такое самоиндуцированная ЭДС?

Определение: Самоиндуцированная ЭДС – это ЭДС, индуцированная в катушке из-за изменения магнитного потока, вызванного соединением ее с ее собственными витками. Это явление самоиндуцированной ЭДС можно дополнительно понять на следующем примере, приведенном ниже: Рассмотрим катушку с числом витков N, как показано на рисунке выше.

Может у вас отрицательная ЭДС?

Напряжение всегда не отрицательное.Отрицательный знак в законе Фарадея (закон Ленца) не означает, что ЭДС (или ток) всегда указывает в каком-то «отрицательном» направлении. Это означает, что ток всегда течет так, чтобы противодействовать изменению потока, что хорошо показано в этом видеоклипе.

Что такое двигательная ЭДС?

ЭДС, индуцированная движением относительно магнитного поля B, называется ЭДС движения и определяется выражением. emf = Bℓv (B, ℓ и v перпендикулярно), где ℓ – длина объекта, движущегося со скоростью v относительно поля.

Как сделать ЭДС?

ЭДС индуцируется в катушке или проводнике всякий раз, когда происходит изменение потоковых связей. В зависимости от того, каким образом происходят изменения, существует два типа: когда проводник перемещается в стационарном магнитном поле, чтобы вызвать изменение магнитной связи, ЭДС индуцируется статически.

Как определить полярность наведенной ЭДС?

Когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока в соответствии с законом Фарадея, полярность наведенной эдс задается законом Ленца.

Можно ли навести ЭДС в разомкнутой цепи?

Да, ЭДС может существовать без тока. Рассмотрим закон Ома: V = IR; V = Индуцированная ЭДС Для разомкнутой цепи, R-> бесконечность Следовательно, I = V / бесконечность = 0 даже для некоторого ненулевого значения V. Это то же самое, что и изолированная ячейка. ЭДС будет индуцироваться в проводе, только если он проходит через изменяющееся магнитное поле.

Какая полярность наведенной ЭДС?

Иногда бывает сложно определить полярность наведенной ЭДС. Закон Ленца гласит, что индуцированная ЭДС, возникающая в результате изменения магнитного потока, имеет полярность, которая приводит к индуцированному току, направление которого таково, что индуцированное магнитное поле противодействует первоначальному изменению потока.

Что подразумевается под полярностью наведенной ЭДС?

Когда ЭДС генерируется изменением магнитного потока согласно закону Фарадея, полярность индуцированной ЭДС такова, что она создает ток, магнитное поле которого противодействует изменению, которое его вызывает. Если оно уменьшается, индуцированное поле действует в направлении приложенного поля, пытаясь сохранить его постоянным.

Что такое собственная индуктивность L?

В электрической цепи, когда ЭДС индуцируется в той же цепи, в которой изменяется ток, этот эффект называется самоиндукцией (L), но иногда его обычно называют обратной ЭДС, поскольку ее полярность противоположна приложенное напряжение.

Какой закон определяет направление наведенной ЭДС?

Закон Ленца используется для определения направления индуцированного тока. Закон электромагнитной индукции Ленца гласит, что направление индуцированного тока в данном магнитном поле таково, что он противодействует индуцированному изменению путем изменения магнитного поля.

Что подразумевается под полярностью?

1: качество или состояние, присущее телу, которое проявляет противоположные свойства или силы в противоположных частях или направлениях или которое проявляет противоположные свойства или силы в противоположных частях или направлениях: состояние наличия полюсов.

Что такое полярное и неполярное?

Полярные молекулы возникают, когда между связанными атомами существует разность электроотрицательности. Неполярные молекулы возникают, когда электроны делятся равными между атомами двухатомной молекулы или когда полярные связи в более крупной молекуле нейтрализуют друг друга.

Какие два типа полярности?

1,7 Полярность. Полярность относится к электрическим условиям, определяющим направление тока относительно электрода. Полярность электродов бывает двух типов: (1) прямая полярность и (2) обратная полярность.

Что такое полярное и неполярное соединение?

Полярная ковалентная связь – это тип ковалентной связи, образованной между двумя неидентичными атомами. Неполярная ковалентная связь – это ковалентная связь, в которой разница в электроотрицательности между связанными атомами составляет менее 0,5.

Как узнать, полярная или неполярная молекула?

1. Если расположение симметрично и стрелки одинаковой длины, молекула неполярна.
2. Если стрелки имеют разную длину и не уравновешивают друг друга, молекула полярна.
3. Если расположение асимметрично, молекула полярна.

Как определить полярность соединения или неполярность?

Взгляните еще раз на воду. Вода связана с двумя атомами водорода, а также имеет два неподеленных электрона. Имеет четырехгранную изогнутую форму. Чтобы определить, полярна ли молекула, вы должны посмотреть на векторы парциальных зарядов на двух связях в молекуле.

Что такое неполярное соединение?

соединение, состоящее из молекул, обладающих симметричным распределением заряда, так что не существует положительных или отрицательных полюсов и которые не ионизируются в растворе, например, в углеводородах.

В чем разница между полярной и неполярной ковалентной связью?

Связи, которые частично являются ионными, называются полярными ковалентными связями. Неполярные ковалентные связи с равным разделением электронов связи возникают, когда электроотрицательности двух атомов равны.

CO2 полярный или неполярный?

И CO2, и h3O имеют две полярные связи. Однако диполи в линейной молекуле CO2 нейтрализуют друг друга, что означает, что молекула CO2 неполярна.

Почему CO полярный, а CO2 неполярный?

Он содержит две полярные связи, расположенные симметрично.Углерод образует двойную связь с каждым атомом кислорода. Но геометрия CO2 линейна, так что два дипольных момента связи сокращаются, и нет чистого молекулярного дипольного момента. Таким образом, молекула неполярна.

Какой тип молекулы CO2?

ковалентный

Является ли CCl4 полярной или неполярной молекулой?

CCl4, который представляет собой четыреххлористый углерод, неполярен, потому что все четыре связи симметричны и вытянуты во всех направлениях.

Почему CCl4 неполярная молекула?

Молекула CCl4 неполярна по своей природе из-за ее симметричной тетраэдрической структуры.Однако связь C-Cl является полярной ковалентной связью, но четыре связи отменяют полярность друг друга и образуют неполярную молекулу CCl4.

23,1 Индуцированная ЭДС и магнитный поток – Физика колледжа: OpenStax

Глава 23 Электромагнитная индукция, цепи переменного тока и электрические технологии

Сводка

• Рассчитайте поток однородного магнитного поля через петлю произвольной ориентации.
• Опишите методы создания электродвижущей силы (ЭДС) с помощью магнитного поля или магнита и проволочной петли.

Аппарат, использованный Фарадеем для демонстрации того, что магнитные поля могут создавать токи, показан на рисунке 1. Когда переключатель замкнут, магнитное поле создается в катушке в верхней части железного кольца и передается на катушку в нижней части. часть кольца. Гальванометр используется для обнаружения любого тока, наведенного в катушке внизу. Было обнаружено, что каждый раз, когда переключатель замыкается, гальванометр обнаруживает ток в одном направлении в катушке внизу.(Вы также можете наблюдать это в физической лаборатории.) Каждый раз, когда переключатель открывается, гальванометр обнаруживает ток в противоположном направлении. Интересно, что если переключатель остается замкнутым или разомкнутым в течение некоторого времени, через гальванометр нет тока. Замыкание и размыкание переключателя индуцирует ток. Это изменение магнитного поля, которое создает ток. Более важным, чем текущий ток, является вызывающая его ЭДС . Ток является результатом ЭДС , индуцированной изменяющимся магнитным полем , независимо от того, есть ли путь для протекания тока.

Рис. 1. Аппарат Фарадея для демонстрации того, что магнитное поле может производить ток. Изменение поля, создаваемого верхней катушкой, вызывает ЭДС и, следовательно, ток в нижней катушке. Когда переключатель разомкнут и замкнут, гальванометр регистрирует токи в противоположных направлениях. Когда переключатель остается замкнутым или разомкнутым, через гальванометр не течет ток.

Эксперимент, который легко проводится и часто проводится в физических лабораториях, показан на рисунке 2.ЭДС индуцируется в катушке, когда стержневой магнит вставляется и выходит из нее. ЭДС противоположных знаков создаются движением в противоположных направлениях, и ЭДС также меняются на противоположные за счет изменения полюсов. Те же результаты будут получены, если перемещать катушку, а не магнит – важно относительное движение. Чем быстрее движение, тем больше ЭДС, и когда магнит неподвижен относительно катушки, ЭДС отсутствует.

Рисунок 2. Движение магнита относительно катушки создает ЭДС, как показано.Такие же ЭДС возникают при перемещении катушки относительно магнита. Чем больше скорость, тем больше величина ЭДС, а при отсутствии движения ЭДС равна нулю.

Метод создания ЭДС, используемый в большинстве электрических генераторов, показан на рисунке 3. Катушка вращается в магнитном поле, создавая ЭДС переменного тока, которая зависит от скорости вращения и других факторов, которые будут изучены в следующих разделах. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель (другая симметрия).

Рисунок 3. При вращении катушки в магнитном поле возникает ЭДС. Это основная конструкция генератора, в котором работа, выполняемая по вращению катушки, преобразуется в электрическую энергию. Обратите внимание, что генератор очень похож по конструкции на двигатель.

Итак, мы видим, что изменение величины или направления магнитного поля вызывает ЭДС. Эксперименты показали, что существует критически важная величина, называемая магнитным потоком, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex], который определяется числом

.

[латекс] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta}, [/ latex]

где [латекс] \ boldsymbol {B} [/ latex] – это напряженность магнитного поля над областью [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex ] с перпендикуляром к области, как показано на рисунке 4.2} [/ латекс]. Как видно на рисунке 4, [latex] \ boldsymbol {B \; \ textbf {cos} \; \ theta = B _ {\ perp}} [/ latex], который является компонентом [latex] \ boldsymbol {B} [ / latex] перпендикулярно области [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex]. Таким образом, магнитный поток – это [латекс] \ boldsymbol {\ phi = B _ {\ perp} A} [/ latex], произведение площади и компонента магнитного поля, перпендикулярного ей.

Рисунок 4. Магнитный поток Φ связан с магнитным полем и площадью, на которой оно существует.Поток Φ = BA cos θ связан с индукцией; любое изменение Φ вызывает ЭДС.

Вся индукция, включая приведенные до сих пор примеры, возникает из-за некоторого изменения магнитного потока [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ латекс]. Например, Фарадей изменил [латекс] \ boldsymbol {B} [/ latex] и, следовательно, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] при открытии и закрытии переключателя в своем устройстве (показано на рисунке 1). Это также верно для стержневого магнита и катушки, показанных на рисунке 2.При вращении катушки генератора угол [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex] и, следовательно, [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] изменяется. Насколько велика ЭДС и какое направление она принимает, зависит от изменения [latex] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] и от того, как быстро это изменение будет выполнено, как будет рассмотрено в следующем разделе.

• Ключевой величиной в индукции является магнитный поток [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex], определяемый как [латекс] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta} [ / latex], где [latex] \ boldsymbol {B} [/ latex] – это напряженность магнитного поля над областью [latex] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [ / латекс] с перпендикуляром к площади.2} [/ латекс].
• Любое изменение магнитного потока [латекс] \ boldsymbol {\ phi} [/ latex] вызывает ЭДС – процесс определяется как электромагнитная индукция.

Концептуальные вопросы

1: Каким образом многопетлевые катушки и железное кольцо в версии аппарата Фарадея, показанной на рисунке 1, улучшают наблюдение наведенной ЭДС?

2: Когда магнит вставляется в катушку, как показано на рисунке 2 (а), в каком направлении катушка воздействует на магнит? Нарисуйте диаграмму, показывающую направление тока, индуцируемого в катушке, и создаваемое ею магнитное поле, чтобы обосновать вашу реакцию.Как величина силы зависит от сопротивления гальванометра?

3: Объясните, как магнитный поток может быть нулевым, когда магнитное поле не равно нулю.

4: Индуцируется ли ЭДС в катушке на рисунке 5, когда она растягивается? Если да, укажите причину и укажите направление индуцированного тока.

Рисунок 5. Круглая катушка с проволокой натянута в магнитном поле.

Задачи и упражнения

1: Какое значение магнитного потока в катушке 2 на рисунке 6 из-за катушки 1?

Рисунок 6. (a) Плоскости двух катушек перпендикулярны. (б) Проволока перпендикулярна плоскости катушки.

2: Какое значение магнитного потока, проходящего через катушку на рис. 6 (b), обусловлено проводом?

Глоссарий

магнитный поток

величина магнитного поля, проходящего через определенную область, рассчитывается с помощью [latex] \ boldsymbol {\ phi = BA \; \ textbf {cos} \; \ theta} [/ latex] где [latex] \ boldsymbol {B} [/ latex] – это напряженность магнитного поля над областью [латекс] \ boldsymbol {A} [/ latex] под углом [латекс] \ boldsymbol {\ theta} [/ latex] с перпендикуляром к площади

электромагнитная индукция

Процесс наведения ЭДС (напряжения) с изменением магнитного потока

Решения

Задачи и упражнения

1: Ноль

.